Стабилизатор переменного напряжения

 

Использование: в электротехнике, в частности в преобразовательной технике, конкретно в устройствах электропитания. Цель изобретения: повышение надежности, стабилизатора в работе, улучшение гармонического состава выходных напряжения и тока, упрощение устройства. Сущность изобретения: в стабилизатор, содержащий автотрансформатор с основной обмоткой и дополнительными секциями, полностью управляемые полупроводниковые ключи, блок формирования управляющих импульсов, блок обратной связи, блок питания, блок синхронизации, счетчик, введены датчик состояния полностью управляемых полупроводниковых ключей, блок задержки, блок быстродействующей защиты от перенапряжений на выходных зажимах. Автотрансформатор содержит вольтовычитающие и вольтодобавляющие дополнительные секции, соединенные последовательно согласно между собой и с его основной обмоткой. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной механике, и может быть использовано, например, в устройствах электропитания для стабилизации выходного переменного напряжения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому, принятому за прототип, является устройство для стабилизации переменного напряжения, содержащее автотрансформатор с основной обмоткой и дополнительными секциями, каждая из которых имеет два вывода, соединенных между собой через два полностью управляемых полупроводниковых ключа, один из зажимов каждой следующей секции подключен к точке соединения двух полностью управляемых полупроводниковых ключей предыдущей секции (Авт. св. N 669338 СССР, кл. G 05 F 1/14, H 02 P 13/14, 1979). Устройство содержит также датчики напряжения и тока, дополнительную обмотку автотрансформатора, интегратор, сумматор, выпрямитель и блок управления, включающий задающий генератор, аналого-цифровой преобразователь, дешифратор, блоки синхронизации и формирователи импульсов.

Недостатками устройства являются низкая надежность его в работе, обусловленная необходимостью одновременной работы, одновременного включения и одновременного выключения нескольких полностью управляемых полупроводниковых ключей, необходимостью использования искусственной коммутации полностью управляемых полупроводниковых ключей, отсутствие информационного обеспечения системы управления о состоянии полностью управляемых полупроводниковых ключей. К недостаткам следует отнести наличие высших гармоник в выходном напряжении, которые обусловлены искажениями, вызванными необходимостью искусственной коммутации полностью управляемых полупроводниковых ключей, а также сложность как его силовой части, обусловленная необходимостью использования двух полностью управляемых полупроводниковых ключей на каждую дополнительную секцию автотрансформатора, так и системы управления, обусловленная наличием двух блоков синхронизации, датчика тока, аналого-цифрового преобразователя, что снижает и надежность устройства в целом.

Целью изобретения является повышение надежности в работе стабилизатора переменного напряжения, улучшение гармонического состава выходного напряжения и тока, упрощение устройства.

Для этого в стабилизатор переменного напряжения, содержащей автотрансформатор с основной обмоткой, конец которой является одним из выходных зажимов, подключенными к ее началу и соединенными с ней последовательно и согласно дополнительными секциями, полностью управляемые полупроводниковые ключи, блок формирования управляющих импульсов, соединенный своими выходами с управляющими входами ключей, дешифратор, выходы которого подключены к входам блока формирования управляющих импульсов, блок обратной связи, соединенный своими входами с выходными зажимами, блок питания, соединенный своими входами с дополнительной обмоткой автотрансформатора, которая электрически не соединена с основной обмоткой, триггер, блок синхронизации, счетчик, выходы которого подключены к основным входам дешифратора, введены датчик состояния полностью управляемых полупроводниковых ключей, блок задержки и блок быстродействующей защиты от перенапряжений на выходных зажимах. Автотрансформатор имеет n вольтовычитающих дополнительных секций, конец первой из которых соединен с началом основной обмотки, и m вольтодобавляющих дополнительных секций, второй входной зажим стабилизатора подключен в место соединения начала последней вольтовычетающей дополнительной секции и конца первой вольтодобавляющей дополнительной секции, начала основной обмотки автотрансформатора и всех его дополнительных секций через полностью управляемые полупроводниковые ключи, число которых равно n + m + 1, соединены с вторым выходным зажимом. Число витков каждой дополнительной секции определяется так, чтобы при ее включении в работу или выключении из работы выходное напряжение изменялось на значение, равное допустимому отклонению выходного напряжения. Число вольтовычитающих дополнительных секций равно частному от деления допустимого превышения входного напряжения, подлежащего компенсации стабилизатором, на допустимое отклонение выходного напряжения. Число m вольтодобавляющих дополнительных секций равно частному от деления допустимого снижения входного напряжения, подлежащего компенсации стабилизатором, на допустимое отклонение выходного напряжения. При этом выход блока быстродействующей защиты от перенапряжений на выходных зажимах соединен с первым информационным входом, второй информационный вход которого подключен к определяющему уровень и знак отклонения выходного напряжения выходу блока обратной связи. Тактовый вход счетчика соединен выходом формирования тактовых импульсов триггера, определяющим факт наличия превышающего допустимое отклонение выходного напряжения, выход блока обратной связи подключен к входу формирования импульсов запрета триггера, вход формирования снимающих запрет импульсов которого соединен с выходом датчика состояния полностью управляемых полупроводниковых ключей, а его синхронизирующий вход подключен к выходу блока синхронизации, входы которого соединены с дополнительной обмоткой автотрасформатора. Выход формирования импульсов запрета триггера подключен к запрещающему входу дешифратора, а выход формирования снимающих запрет импульсов триггера через блок задержки соединен со снимающим запрет входом дешифратора.

Простота алгоритма работы стабилизатора переменного напряжения по сравнению с прототипом, заключающаяся в поочередном вводе в работу или выводе из работы дополнительных секций автотрансформатора, наличие в любом режиме работы стабилизатора только одного замкнутого полностью управляемого полупроводникового ключа, естественная коммутация при размыкании полностью управляемых полупроводниковых ключей, замыкание требуемого полностью управляемого полупроводникового ключа при гарантированно разомкнутых всех полностью управляемых полупроводниковых ключах, что обеспечивается схемой автотрансформатора и соединением его отпаек с полностью управляемыми полупроводниковыми ключами, введением датчика состояния полностью управляемых полупроводниковых ключей, блока синхронизации, блока задержки, схемой соединения элементов стабилизатора, определяют повышение надежности работы стабилизатора переменного напряжения. Этой же цели служит введение блока быстродействующей защиты от перенапряжений на выходных зажимах.

Естественная коммутация полностью управляемых полупроводниковых ключей, отсутствие элементов, искажающих форму напряжения, тока в отличие от прототипа обеспечивают в предлагаемом устройстве улучшение гармонического состава выходных напряжений и тока стабилизатора. Форма и гармонический состав его выходного напряжения определяются формой и гармоническим составом входного напряжения. Отсутствие необходимости применения двух полностью управляемых полупроводниковых ключей на каждую дополнительную секцию автотрансформатора, а также отсутствие датчика тока, наличие только одного блока синхронизации характеризуют предлагаемое устройство по сравнению с прототипом как более простое.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого стабилизатора переменного напряжения.

Стабилизатор переменного напряжения содержит автотрансформатор 1 с основной обмоткой 2, конец которой является одним из входных зажимов и одновременно одним из выходных зажимов, с подключенными к началу основной обмотки 2 и соединенными с ней последовательно согласно n вольтовычитающими дополнительными 3 - 1, 3 - 2,.., 3 - n секциями и m вольтодобавляющими дополнительными 4 - 1, 4 - 2,...4 - m секциями, а также с дополнительной обмоткой 5, электрически не соединенной с основной обмоткой 2. Второй входной зажим подключен к месту соединения начала последней 3 - n вольтовычитающей дополнительной секции и конца первой 4 - 1 вольтодобавляющей дополнительной секции автотрансформатора 1. Начала основной обмотки 2 и всех дополнительных секций 3 - 1, 3 - 2,.., 3 - n, 4 - 1, 4 - 2,..., 4 - m через полностью управляемые полупроводниковые ключи 6, число которых равно (n + m + 1), соединены с вторым выходным зажимом. Управляющие входы полностью управляющих полупроводниковых ключей 6 подключены к выходам блока 7 формирования управляющих импульсов, входы которого соединены с вторым выходным зажимом. Управляющие входы полностью управляемых полупроводниковых ключей 6 подключены к выходам блока 7 формирования управляющих импульсов, входы которого соединены с выходами дешифратора 8, основные входы дешифратора 8 подключены к выходам счетчика 9. Стабилизатор содержит также блок 10 быстродействующей защиты от перенапряжений на выходных зажимах, блок 11 обратной связи, соединенные своими входами с выходными зажимами, и блок 12 питания, входы которого подключены к дополнительной обмотке 5 автотрансформатора 1, которая также соединена с входами блока 13 синхронизации. Первый информационный вход счетчика 9 соединен с выходом блока 10 быстродействующей защиты от перенапряжений на выходных зажимах, второй информационный вход счетчика 9 подключен к определяющему уровень и знак отклонения выходного напряжения выходу блока 11 обратной связи, а тактовый вход счетчика 9 соединен с выходом формирования тактовых импульсов триггера 14, вход формирования импульсов запрета которого подключен к определяющему факт наличия превышающего допустимое отклонения выходного напряжения выходу блока 11 обратной связи, вход формирования снижающих запрет импульсов триггера 14 соединен с выходом датчика 15 состояния полностью управляемых полупроводниковых ключей 6, а синхронизирующий вход триггера 14 подключен к выходу блока 13 синхронизации. Выход формирования импульсов запрета триггера 14 соединен с запрещающим входом дешифратора 8, а выход формирования снимающих запрет входу дешифратора 8.

Стабилизатор переменного напряжения работает следующим образом. При номинальном напряжении на входных зажимах замкнут один из полностью управляемых полупроводниковых ключей 6, включенный между вторым входным и выходным зажимами, напряжение на выходных зажимах равно напряжению на входных зажимах. При отклонении (увеличении или уменьшении) напряжения на входных, а следовательно, и на выходных зажимах, превышающем допустимое, появляются сигналы на выходе блока 11 обратной связи. С определяющего факт наличия превышающего допустимое отклонения выходного напряжения выхода блока 11 обратной связи сигнал, характеризующий факт наличия отклонения напряжения на выходных зажимах, превышающее допустимое, и необходимость изменения (уменьшения или увеличения) этого напряжения поступает на вход формирования импульсов запрета триггера 14. При этом на втором выходе формирования импульсов запрета триггера 14 формируется сигнал запрета на включение полностью управляемых полупроводниковых ключей 6, являющийся в данном случае сигналом на отключение (размыкание) всех полностью управляемых полупроводниковых ключей 6, который поступает на запрещающий вход дешифратора 8 и обеспечивает снятие существующих импульсов на всех выходах блока 7 формирования управляющих импульсов и отключение (размыкание) замкнутого из полностью управляемых полупроводниковых ключей 6. Одновременно с определяющего уровень и знак отклонения выходного напряжения выхода блока 11 обратной связи на второй информационный вход счетчика 9 поступает сигнал, характеризующий необходимое направление изменения напряжения на выходных зажимах. Этот сигнал обеспечивает изменение кода на выходных зажимах счетчика 9. После того как все полностью управляемые полупроводниковые ключи 6 разомкнулись, с выхода датчика 15 состояния полностью управляемых полупроводниковых ключей 6 на второй вход формирования снимающих запрет импульсов триггера 14 поступает сигнал, который обеспечивает появление сигнала на первом выходе формирования тактовых импульсов триггера 14 поступает на тактовый вход счетчика 9 и обеспечивает передачу вновь сформированного на выходах счетчика 9 коды на основные входы дешифратора 8. Одновременно с выхода формирования снимающих запрет импульсов триггера 14 через блок задержки 16 поступает сигнал, снимающий запрет на включение полностью управляемых полупроводниковых ключей 6. В результате в соответствии с вновь сформированными на выходе счетчика 9 на соответствующем выходе дешифратора 8 появляется сигнал, из которого также на соответствующем выходе блока 7 формирования управляющих импульсов формируется сигнал управления, который обеспечивает замыкание соответствующего из полностью управляемых полупроводниковых ключей 6. Так, если в исходном состоянии был замкнут ключ, включенный между вторыми входными и выходными зажимами, то при увеличении напряжения на входных (и, следовательно, на выходных) зажимах, превышающем допустимое, после размыкания этого ключа в соответствии с описанной процедурой замкнется ключ, соединенный с концом последней 3 - n вольтовычитающей дополнительной секцией автотрансформатора 1, а при снижении напряжения на входных (и на выходных) зажимах, превышающем допустимое, замкнется ключ, соединенный с началом первой 4-1 вольтодобавляющей дополнительной секцией автотрансформатора 1. Этим обеспечивается соответственно снижение или увеличение напряжения на выходных зажимах. При необходимости дальнейшего снижения или увеличения напряжения на выходных зажимах аналогично организуется поочередное размыкание замкнутого и замыкание следующего из полностью управляемых полупроводниковых ключей 6, пока напряжение на выходных зажимах не достигнет требуемого уровня. При максимально допустимом напряжении на входных зажимах замкнут ключ, соединенный с началом основной обмотки 2 автотрансформатора 1, а при минимально допустимом напряжении на входе замкнутый ключ, соединенный с началом последней 4-m вольтодобавляющей дополнительной секцией автотрансформатора 1, когда напряжение на выходных зажимах формируется как сумма напряжений основной обмотки 2, всех вольтовычитающих дополнительных секций 3-1, 3-2,...,3-n и всех вольтодобавляющих дополнительных секций 4-1, 4-2,...4-m автотрансформатора 1. Следует отметить, что при изменении напряжения на выходных зажимах, превышающем допустимое, в течение одного полупериода осуществляется размыкание работающего из полностью управляемых полупроводниковых ключей 6 и формирование нового кода на выводах счетчика 9. На следующем полупериоде осуществляется включение требуемого из полностью управляемых полупроводниковых ключей 6, т.е. происходит требуемое изменение напряжения на выходных зажимах. Синхронизация работы триггера 14 и устройства в целом с сетью осуществляется сигналами, поступающими на синхронизирующий вход триггера 14 с выхода блока 13 синхронизации и формируемыми из напряжения, которое поступает на вход блока 13 синхронизации с дополнительной обмотки 5 автотрансформатора 1. Это же напряжение подается на вход блока 12 питания, который формирует напряжения питания, обеспечивающие работу элементов блока 7 формирования управляющих импульсов, дешифратора 8, счетчика 9, блока 10 быстродействующей защиты от перенапряжений на выходных зажимах, блока 11 обратной связи, блока 13 синхронизации, триггера 14, блока 16 задержки. При появлении перенапряжений на выходных зажимах сигнал с выхода блока 10 защиты от перенапряжений на выходных зажимах, поступая на первый информационный вход счетчика 9, с сохранением описанного алгоритма работы размыкает включенный из полностью управляемых полупроводниковых ключей 6 и сразу замыкает ключ, соединенный с началом основной обмотки 2 автотрансформатора 1, обеспечивая минимально возможное напряжение на выходных зажимах.

Все элементы стабилизатора переменного напряжения могут быть практически выполнены с использованием элементарной базы, выпускаемой серийно отечественной электротехнической, электронной, радиотехнической промышленностью.

Стабилизатор может быть использован непосредственно для стабилизации переменного напряжения и для узкодиапазонного регулирования выходного напряжения с одновременной стабилизацией установленного или требуемого напряжения.

Формула изобретения

Стабилизатор переменного напряжения, содержащий автотрансформатор с основной обмоткой, конец которой является одним из выходных зажимов, подключенными к ее началу и соединенными с ней последовательно и согласно дополнительными секциями, полностью управляемые полупроводниковые ключи, блок формирования управляющих импульсов, соединенный своими выходами с управляющими входами ключей, дешифратор, выходы которого подключен к входам блока формирования управляющих импульсов, блок обратной связи, соединенный своими входами с выходными зажимами, блок питания, соединенный своими входами с дополнительной обмоткой автотрансформатора, которая электрически не соединена с основной обмоткой, триггер, блок синхронизации, счетчик, выходы которого подключены к основным входам дешифратора, отличающийся тем, что в него введены датчик состояния полностью управляемых полупроводниковых ключей, блок задержки и блок быстродействующей защиты от перенапряжений на выходных зажимах, автотрансформатор имеет n вольтовычитающих дополнительных секций, конец первой из которых соединен с началом основной обмотки, и m вольтодобавляющих дополнительных секций, второй входной зажим стабилизатора подключен в место соединения начала последней вольтовычитающей дополнительной секции и конца первой вольтодобавляющей дополнительной секции, начала основной обмотки автотрансформатора и всех его дополнительных секций через полностью управляемые полупроводниковые ключи, число которых равно n + m + 1, соединены с вторым выходным зажимом, число витков каждой дополнительной секции определяется так, чтобы при ее включении в работу или выключении из работы выходное напряжение изменилось на значение, равное допустимому отклонению выходного напряжения, число n вольтовычитающих дополнительных секций равно частному от деления допустимого превышения входного напряжения, подлежащего компенсации стабилизатором, на допустимое отклонение выходного напряжения, число m вольтодобавляющих дополнительных секций равно частному от деления допустимого снижения входного напряжения, подлежащего компенсации стабилизатором, на допустимое отклонение выходного напряжения, причем выход блока быстродействующей защиты от перенапряжений на выходных зажимах соединен с первым информационным входом счетчика, второй информационный вход которого подключен к определяющему уровень и знак отклонения выходного напряжения выходу блока обратной связи, тактовый вход счетчика соединен с выходом формирования тактовых импульсов триггера, определяющим факт наличия превышающего допустимое отклонение выходного напряжения, выход блока обратной связи подключен к входу формирования импульсов запрета триггера, вход формирования снимающих запрет импульсов которого соединен с выходом датчика состояния полностью управляемых полупроводниковых ключей, а его синхронизирующий вход подключен к выходу блока синхронизации, входы которого соединены с дополнительной обмоткой атотрансформатора, выход формирования импульсов запрета триггера подключен к запрещающему входу дешифратора, а выход формирования снимающих запрет импульсов триггера через блок задержки соединен со снимающим запрет входом дешифратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1