Электронный стабилизатор напряжения

 

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для стабилизации напряжения сети переменного тока, 380/220 В, 50-60 Гц. Технический результат состоит в том, что устройство обеспечивает высокую частоту модуляций 10-12 кГц, фильтрацию импульсов напряжения конденсаторами малой емкости, а также за счет индуктивности рассеяния вольтодобавочного трансформатора, что позволяет исключить искажения напряжения питающей сети. Предлагается электронный стабилизатор напряжения с вольтодобавочным трансформатором, фильтровыми конденсаторами, подключенными параллельно сети и нагрузке, и регулирующим ключом с системой управления. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электронным стабилизаторам напряжения сети переменного тока, 380/220 В, 50 - 60 Гц.

Известны феррорезонансные стабилизаторы (см.Богданов Д.И., Евдокимов Г. К. Феррорезонансные стабилизаторы, Госэнергоатомиздат, 1958; Федосеев П.Г. Выпрямители и стабилизаторы, Искусство, 1960). Их мощность равна мощности нагрузки, что делает стабилизаторы напряжения такого типа громоздкими и дорогими. В промышленности они применяются для мощности не более 1 кВА. В быту в последнее десятилетие не применяются.

Известны стабилизаторы напряжения на базе автотрансформатора или трансформатора со ступенчатым регулированием напряжения, переключением отпаек вольтодобавочных обмоток механическим или полупроводниковым коммутатором (см. Сомов В.А. Регулятор напряжения с вольтодобавочными подмагничиваемыми трансформаторами. "Электричество", 1960, N 9). Эти стабилизаторы напряжения применяются только в промышленных сетях, так как коммутатор с большим числом ступеней представляет собой достаточно дорогое и громоздкое устройство, а при малом числе ступеней регулирование оказывается слишком грубым.

Возможно фазовое, т.е. плавное регулирование внутри ступеней с помощью тиристоров с импульсно-фазовым управлением, однако при этом неизбежны искажения напряжения сети, что не всегда приемлемо.

Наиболее близким устройством того же назначения к предлагаемому изобретению по совокупности признаков является электронный стабилизатор напряжения с одной ступенью и фазовым регулированием внутри ступени (см.авт. св. СССР N 1473004, кл. H 02 J 3/12, 1989) принятый за прототип.

Упрощенная схема прототипа приведена на фиг.1 и содержит в силовой части вводной автоматический выключатель 1, включенный между питающей сетью и стабилизатором, вольтодобавочный трансформатор 2 с первичной обмоткой 3, подключенный через реверсирующий мост из контактов 4, 5, 6, 7 электромагнитного реле 8 и регулирующий ключ в составе двух встречно-параллельно включенных тиристоров 9, 10 к питающей сети. Вторичная обмотка 11 вольтодобавочного трансформатора 2 включена последовательно между сетью и нагрузкой 12. Система управления содержит блок питания 13, подключенный входом к питающей сети, а соответствующими выходами к входу полупроводникового реле 14, выход которого соединен с катушкой электромагнитного реле 8, к питающему входу U_п системы импульсно-фазового управления 15, к эталонному входу U_э компаратора 16, второй вход которого U_с подключен к нагрузке 12. Управляющие выходы системы импульсно-фазового управления 15 связаны с управляющими входами тиристоров 9, 10.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве происходит искажение напряжения сети при фазовом регулировании.

Технический результат состоит в том, что предлагаемое устройство обеспечивает высокую частоту модуляций с фильтрацией импульсов напряжения "вольтодобавки" конденсатором малой емкости, а также за счет индуктивности рассеяния трансформатора 2, что позволяет исключить искажение напряжения сети.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в устройстве, содержащем в силовой части вводной автоматический выключатель, включенный между питающей сетью и стабилизатором, вольтодобавочный трансформатор, подключенный первичной обмоткой через реверсирующий мост из четырех контактов электромагнитного реле и регулирующий ключ из двух встречно-параллельно включенных полупроводниковых элементов к питающей сети, а вторичная обмотка упомянутого вольтодобавочного трансформатора включена последовательно между сетью и нагрузкой, а также систему управления в составе блока питания, подключенного входом к питающей сети, а соответствующими выходами к входу полупроводникового реле, питающего катушку упомянутого электромагнитного реле, и к эталонному входу компаратора, второй вход которого подключен к нагрузке, а также систему управления регулирующим ключом, параллельно сети и нагрузке включены фильтровые конденсаторы, упомянутый регулирующий ключ представляет собой два встречно-параллельно включенных регулирующих транзистора, а параллельно первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора с последовательно включенным в ее цепь датчиком тока включены встречно-параллельно два шунтирующих транзистора, при этом базы регулирующих транзисторов через логические ключи подключены к соответствующим выходам широтно-импульсного модулятора, вход которого соединен с выходом упомянутого компаратора, а к управляющим входам упомянутых логических ключей подключены соответствующие выходы логической схемы, один вход которой через блок выделения модуля соединен с упомянутым датчиком тока, второй вход подключен к зажимам питающей сети, а базы шунтирующих транзисторов присоединены к двум соответствующим выходам датчика напряжения, вход которого подключен параллельно упомянутому регулирующему ключу.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования: - дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений; - замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены; - исключение какой-либо части средства с одновременным исключением, обусловленной ее наличием функций и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов и пр.); - увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов; - выполнение известного средства или части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала; - создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертежах представлено: на фиг.2 - схема заявленного устройства, на фиг. 3 - диаграммы напряжения сети и тока нагрузки (U_с, i_н), напряжений на выходе ШИМ (U_шим), вторичной обмотки трансформатора без сглаживания (ΔU), результирующего без сглаживания (U_c + ΔU), результирующего после сглаживания (U_c + ΔU_сгл). Устройство содержит вводной автоматический выключатель 1, включенный между питающей сетью и стабилизатором, вольтодобавочный трансформатор 2 с первичной обмоткой 3, подключенной через реверсирующий мост из контактов 4, 5, 6, 7 электромагнитного реле 8 и регулирующий ключ в составе двух встречно-параллельно включенных регулирующих транзисторов 9, 10 к питающей сети. Вторичная обмотка 11 вольтодобавочного трансформатора 2 включена последовательно между питающей сетью и нагрузкой 12. Система управления стабилизатором состоит из блока питания 13, подключенного входом к питающей сети, нестабилизированным выходом к входу полупроводникового реле 14, а эталонным, т. е. стабилизированным, выходом - к катушке электромагнитного реле 8. Кроме того, в состав системы управления входят два логических ключа 15, 16, включенные между соответствующими выходами широтно-импульсного модулятора 17 и базами регулирующих транзисторов 9, 10. К управляющим входам ключей 15, 16 подключены соответствующие выходы логической схемы 18, один вход которой включен на напряжение сети, а второй подключен к выходу датчика тока 19, включенного в цепь первичной обмотки 3 трансформатора 2. К входу широтно-импульсного модулятора 17 присоединен выход компаратора 20, входы которого подключены соответственно один к эталонному выходу блока питания 13, а другой - к нагрузке. Первичная обмотка 3 трансформатора 2 вместе с последовательно включенным в ее цепь датчиком тока 19 зашунтирована двумя встречно-параллельно включенными шунтирующими транзисторами 21, 22, базы которых подключены к соответствующим выходам датчика напряжения 23, вход которого подключен параллельно регулирующим транзисторам 9. 10. Конденсатор 24 включен параллельно питающей сети, а конденсатор 25 - параллельно нагрузке.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Пусть включен автоматический выключатель 1 и на стабилизатор подано напряжение меньше номинального. Тогда сигнал, равный U_с (фиг.2), с блока питания 13 также ниже уровня срабатывания полупроводникового реле 14, соответственно остается выключенным реле 8 и контакты 5, 6 замкнуты. В этом случае трансформатор 2 включен как вольтодобавочный, т.е. к напряжению питающей сети U_с добавляется напряжение вторичной обмотки 11 трансформатора. Пусть к рассматриваемый момент времени U_с имеет плюс на верхнем зажиме нагрузки 12. Назовем этот полупериод "положительным". В этом случае на один вход логической схемы 18 поступает "положительный" сигнал напряжения сети и нулевой сигнал тока в первичной обмотке 3 трансформатора 2. В то же время через датчик напряжения 23 отперт транзистор 22 и обмотка 3 закорочена, поэтому все напряжение сети U_с приложено к нагрузке. Положительный сигнал напряжения и нулевой сигнал тока формируют логическую единицу на управляющем входе ключа 15, и первый же импульс с широтно-импульсного модулятора приходит на базу транзистора 9, отпирая его. При этом напряжение на транзисторе 9 падает практически до нуля, транзистор 22 запирается и все напряжение сети U_с оказывается приложенным к первичной обмотке 3 трансформатора 2. На вторичной обмотке 11 этого трансформатора появляется напряжение, складывающееся с напряжением сети. Результирующее напряжение U_н, усредненное конденсатором 25 и не показанным для простоты выделителем модуля, также имеющим конденсатор на выходе, сравнивается с эталонным напряжением U_э с блока питания 13. Если Δ = U_э - U_н > 0, т.е. если напряжение сети меньше номинального, импульсы, поступающие с блока 17, т.е. с ШИМ, расширяются, увеличивая среднее напряжение вольтодобавки, в противном случае импульсы с ШИМ сжимаются, т.е. сигнал с компаратора 20 определяет скважность ШИМ. В отрицательный полупериод схема работает аналогично описанному с той лишь разницей, что отперт ключ 16, а обмотка 3 периодически закорачивается транзистором 21. Поскольку логическая схема 18 выполняет простейшую функцию суммирования и реализуется на типовых триггерах, элементах И, ИЛИ, она для простоты обозначена лишь структурно. Заметим также, что "положительный" и "отрицательный" такты работы схемы могут смещаться в зависимости от характера нагрузки 12: при индуктивной нагрузке точка перехода синусоиды тока через нуль смещается вправо (фиг.3) и соответственно смещается момент отпирания логических ключей 15 и 16. Конденсатор 24 служит для компенсации входной индуктивности.

Если напряжение сети превысит номинальное значение, включатся реле 14 и 8. Разомкнутся контакты 5, 6 и замкнутся контакты 4, 7. Обмотка 11 трансформатора 2 становится вольтодобавочной. Таким образом, стабилизатор выполняет свою функцию при колебаниях напряжения сети как вниз, так и вверх от номинального. Поскольку частота модуляции может быть достаточно высокой, например 10 - 12 кГц, фильтрация импульсов напряжения "вольтодобавки" (ΔU) на фиг. 3) труда не представляет и осуществляется конденсатором 25 малой емкости, а также за счет индуктивности рассеяния трансформатора 2, который рассчитан на 50 - 60 Гц, т.е. является типовым понижающим трансформатором. Необходимо однако отметить, что в данном случае трансформатор работает попеременно в двух режимах: в режиме автотрансформатора, когда он подключен к сети, и в режиме трансформатора тока, когда первичная обмотка 3 закорочена транзистором 21 или 22. В первом режиме ток транзисторов и первичной обмотки равен току намагничивания, что является дополнительным преимуществом схемы, а высокая частота модуляции позволяет избавиться от искажений, т.е. выполнить поставленную задачу. Полупроводниковое реле 14 необходимо для обеспечения высокого коэффициента возврата, т.е. нужной точности срабатывания реле 8.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий: - средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в электротехнике: - для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Электронный стабилизатор напряжения, содержащий в силовой части вводной автоматический выключатель между питающей сетью и стабилизатором, вольтодобавочный трансформатор, подключенный первичной обмоткой через реверсирующий мост из четырех контактов электромагнитного реле и регулирующий ключ из двух встречно-параллельно включенных полупроводниковых элементов к питающей сети, вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора включена последовательно между сетью и нагрузкой, а также систему управления в составе с блоком питания, подключенным входом к питающей сети, а соответствующими выходами - к входу полупроводникового реле, питающего катушку упомянутого электромагнитного реле, и к эталонному входу компаратора, второй вход которого подключен к нагрузке, а также систему управления регулирующим ключом, отличающийся тем, что параллельно сети и нагрузке включены фильтровые конденсаторы, регулирующий ключ представляет собой два встречно-параллельно соединенных регулирующих транзисторов, а параллельно первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора с последовательно включенным в ее цепь датчиком тока включены встречно-параллельно два шунтирующих транзистора, при этом базы регулирующих транзисторов через логические ключи подключены к соответствующим выходам широтно-импульсного модулятора, вход которого соединен с выходом упомянутого компаратора, а к управляющим входам логических ключей подключены соответствующие выходы логической схемы, предназначенной для формирования логической единицы на управляющем входе соответствующего логического ключа при нулевом сигнале тока в первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора и соответствующей полярности напряжения сети, причем один вход логической схемы через блок выделения модуля соединен с упомянутым датчиком тока, а второй вход подключен к зажимам питающей сети, а базы двух шунтирующих транзисторов подсоединены к двум соответствующим выходам датчика напряжения, вход которого подключен параллельно упомянутому регулирующему ключу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3