Электронный стабилизатор напряжения

 

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для стабилизации напряжения сети переменного тока. Технический результат состоит в том, что устройство обеспечивает отсутствие коммутационных перенапряжений и исключает дополнительные потери энергии. Стабилизатор напряжения содержит силовую часть в виде вольтодобавочного трансформатора и реверсора на электромагнитном реле, система регулирования выполнена по принципу отрицательной обратной связи по напряжению на нагрузке, система управления содержит две микросхемы, собранные на логических элементах И и ИЛИ, датчик напряжения вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора и вспомогательный мостовой реверсор электромагнитного реле. 4 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электронным стабилизаторам напряжения сети переменного тока 380/220 В, 50 Гц.

Известны феррорезонансные стабилизаторы (см. Богданов Д.И., Евдокимов Г. К. Феррорезонансные стабилизаторы:, ГЭИ, 1958), установленная мощность которых равна мощности нагрузки, что делает стабилизаторы напряжения такого типа громоздкими и дорогими. В промышленности они применяются для мощности не более 1 кВА. В быту последнее десятилетие не применяются.

Известны стабилизаторы напряжения на базе автотрансформатора или трансформатора со ступенчатым регулированием вольтодобавочных обмоток полупроводниковым коммутатором (см. Борисов Б.П. и др. Стабилизаторы напряжения с переключаемыми регулирующими элементами. Энергоатомиздат, 1985), в которых коммутатор имеет большое число ступеней и представляет собой достаточно дорогое и громоздкое устройство. Эти стабилизаторы применяются в основном в промышленных сетях.

Возможно фазовое, т.е. плавное регулирование напряжения внутри ступеней с помощью тиристоров с импульсно-фазовым управлением, однако при этом неизбежны искажения напряжения сети, что не всегда приемлемо (см. Гельман М.В., Лосев С. П. Тиристорные регуляторы переменного напряжения. М., "Энергия", 1975).

Известны транзисторные стабилизаторы с регулированием вольтодобавочных трансформаторов или автотрансформаторов методом высокочастотной широтно-импульсной модуляции (см. Кобзев А.В., Лебедев Ю.М. и др. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием. М. , Энергоатомиздат, 1986), позволяющие осуществлять бесступенчатое регулирование напряжения "вверх" и "вниз" практически без искажений.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании устройства, относится то, что в известном устройстве: 1. Большое количество униполярных транзисторных ключей (восемь ключей), половина из которых устанавливается в цепи нагрузки, что усложняет схему стабилизатора, а также приводит к увеличению потерь.

2. Необходимость в установке "снабберов" - цепей защиты транзисторов от коммутационных перенапряжений, что также увеличивает потери.

3. Несимметрия диапазона стабилизации.

В связи с перечисленными недостатками стабилизаторы упомянутого типа перспективны лишь для специальных промышленных установок с высокими требованиями к стабильности напряжения и быстродействию регулирования. Применение их в бытовых сетях неоправдано.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является электронный стабилизатор напряжения с одной ступенью регулирования и широтно-импульсной модуляцией внутри ступени (см. патент N 2123717, кл. G 05 F 1/26, опубл. в 1998 г.) и принятый за прототип.

Упрощенная схема прототипа приведена на фиг. 1 и содержит в силовой части вольтодобавочный трансформатор 1, вторичная обмотка 2 которого включена в сеть последовательно с нагрузкой 3, а первичная обмотка 4 включена в одну из диагоналей мостового реверсора 5, 6, 7, 8, выполненного на контактах электромагнитного реле или на униполярных полупроводниковых ключах. Вторая диагональ мостового реверсора подключена одним концом непосредственно к сети, а вторым концом к сети через униполярный транзисторный ключ 9, 10. Кроме того, первичная обмотка 4 вольтодобавочного трансформатора шунтирована другим униполярным транзисторным ключем 11, 12. Система регулирования выполнена по принципу отрицательной обратной связи и содержит компаратор 13, входы которого подключены к датчику напряжения нагрузки 14 и источнику эталонного напряжения U_э, а выход через широтно-импульсный модулятор 15 и логическую систему управления 16 связан с управляющими входами транзисторных униполярных ключей 9, 10 и 11, 12. Мостовой реверсор 5. 6, 7, 8 подключен своим управляющим входом, например катушкой электромагнитного реле 18, через датчик напряжения 17 к питающей сети, а вывод датчика тока 19 подключен к соответствующему входу логической системы управления 16.

К причине, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве при коммутации транзисторных униполярных ключей возникают коммутационные перенапряжения из-за попеременной коммутации этих ключей на всем интервале соответствующих полупериодов тока. Ограничение перенапряжений требует установки защитных R-C-D цепей, что увеличивает потери и соответственно снижает КПД устройства.

Технический результат состоит в том, что предлагаемое устройство обеспечивает отсутствие коммутационных перенапряжений и, таким образом, избавляет от необходимости установки R-C-D-цепей и исключает дополнительные потери энергии.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в электронном стабилизаторе напряжения, содержащем в силовой части вольтодобавочный трансформатор, первичная обмотка которого шунтирована первым униполярным транзисторным ключом в виде двух встречно-параллельных транзисторов и включена в диагональ мостового реверсора, выполненного на контактах электромагнитного реле с катушкой, подключенной к датчику напряжения питающей сети и подсоединенного свободной диагональю к питающей сети через второй униполярный транзисторный ключ в виде двух встречно-параллельных транзисторов, а вторичная обмотка трансформатора включена в питающую сеть последовательно с датчиком тока нагрузки и нагрузкой, снабженной датчиком напряжения нагрузки, а также содержащем систему регулирования, выполненную по принципу отрицательной обратный связи по напряжению нагрузки и имеющую широтно-импульсный модулятор и компаратор, соответствующие входы которого соединены с датчиком напряжения нагрузки и источником эталонного напряжения, а выход подключен к входу широтно-импульсного модулятора, связанного своим выходом через логическую систему управления с управляющими входами униполярных транзисторных ключей, согласно изобретению логическая система управления выполнена в виде двух одинаковых микросхем, содержащих четыре трехвходовых логических элемента И и два двухвходовых логических элемента ИЛИ каждая, в схему электронного стабилизатора введены дополнительно датчик напряжения вольтодобавочного трансформатора, шунтирующий входом его вторичную обмотку, источник постоянного напряжения, а также вспомогательный мостовой реверсор, выполненный на дополнительных контактах электромагнитного реле, причем в обеих микросхемах входы первого и четвертого логических элементов И подключены к выходу упомянутого широтно-импульсного модулятора, первые входы второго и третьего логических элементов И подключены к источнику постоянного напряжения, вторые входы первых логических элементов И подключены к плюсовой шине напряжения непосредственно, а вторые входы третьих логических элементов И подключены к этой шине через логические элементы ИЛИ, охваченные с выходов своих логических элементов И петлей обратной связи на свои свободные входы, вторые входы четвертых логических элементов И подключены к минусной шине напряжения непосредственно, а вторые входы вторых элементов И подключены к этой шине через логические элементы ИЛИ, охваченные с выходов своих логических элементов И петлей обратной связи на свои свободные входы, плюсовая и минусовая шины напряжения подключены соответственно к катоду и аноду двух диодов, свободные выводы которых объединены с выходом упомянутого датчика напряжения вольтодобавочного трансформатора, третьи входы всех логических элементов И первой микросхемы подключены к первой шине тока, а третьи входы всех логических элементов И второй микросхемы подключены ко второй шине тока, шины тока подключены к двум плечам первой диагонали вспомогательного мостового реверсора, два плеча второй диагонали которого подключены соответственного к аноду одного и катоду второго диодов, свободные выводы этих диодов объединены и подключены к выходу датчика тока в обеих микросхемах, выходы первого и второго логических элементов И объединены с управляющими входами соответствующих транзисторов второго транзисторного униполярного ключа, а выходы третьего и четвертого логических элементов И объединены с управляющими входами соответствующих транзисторов первого униполярного транзисторного ключа.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого 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, присоединенной 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 функции 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 предлагаемого устройства, на фиг. 3 - временные диаграммы, на фиг. 4 - эквивалентные схемы цепи первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора.

Предлагаемое устройство (фиг. 2) содержит в силовой части вольтодобавочный трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого включена в диагональ мостового реверсора 3, 4, 5, 6 в виде электромагнитного реле с катушкой 7. Свободная диагональ реверсора через униполярный транзисторный ключ в виде двух встречно-параллельных транзисторов 8 и 9 подключена к питающей сети, а параллельно первичной обмотке 2 вольтодобавочного трансформатора 1 включен другой униполярный транзисторный ключ также в виде двух встречно-параллельных транзисторов 10, 11. Вторичная обмотка 12 вольтодобавочного трансформатора 1 включена в сеть последовательно с нагрузкой 13 и датчиком тока 14.

Таким образом, силовая часть предлагаемого устройства идентична прототипу. Система регулирования, как и в прототипе, выполнена по принципу отрицательной обратной связи по напряжению на нагрузке и содержит широтно-импульсный модулятор 15, датчик напряжения нагрузки 16 и компаратор 17, причем соответствующие входы компаратора присоединены к датчику напряжения нагрузки 16 и источнику эталонного напряжения U_э, а выход компаратора 17 связан со входом широтно-импульсного модулятора 15, выход которого подключен к логической системе управления, содержащей две одинаковые микросхемы 18 и 19, собранные каждая на четырех трехводовых логических элементах И 20, 21, 22 и 23 и двух двухвходовых логических элементах ИЛИ 24, 25. В схему управления введен также датчик напряжения 26 вторичной обмотки 12 вольтодобавочного трансформатора 1. Выход датчика напряжения 26 через диоды 27 и 28, объединенные с ним катодом диода 27 и анодом диода 28 образует соответственно шины отрицательной и положительной полярности напряжения датчика напряжения 26. Выход датчика тока 14 через объединенные с ним катод диода 29 и анод диода 30 подключен свободными выводами этих диодов к противоположным плечам одной из диагоналей вспомогательного мостового реверсора 31, 32, 33, 34 электромагнитного реле 7. При этом общая точка контактов 31 и 32 объединена с анодом диода 29, а общая точка контактов 33 и 34, объединена с катодом диода 30. Вторая диагональ вспомогательного реверсора образует две шины тока. Первая шина тока подключена к общей точке контактов 32 и 33, а вторая шина тока подключена к общей точке контактов 31 и 34.

В обеих микросхемах 18 и 19 первые входы логических элементов И 20 и 23 подключены к выходу широтно-импульсного модулятора 15, первые входы логических элементов И 21 и 22 подключены к источнику постоянного напряжения 35, вторые входы логических элементов И 20 в обеих микросхемах подключены к плюсовой шине датчика напряжения 26 непосредственно, а вторые входы логических элементов И 22 подключены в обеих микросхемах к этой шине через логические элементы ИЛИ 25, охваченные с выходов элементов И 22 петлей обратной связи на свои свободные входы. Вторые входы логических элементов И 23 в обеих микросхемах подключены к минусовой шине напряжения трансформатора 1 непосредственно, а вторые входы логических элементов И 21 подключены через логические элементы ИЛИ 24, охваченные с выходов логических элементов И 21 петлей обратной связи на свои свободные входы. Третьи входы логических элементов И 20, 21, 22 и 23 в микросхеме 18 подключены к первой шине тока, а третьи входы поименных логических элементов И в микросхеме 19 подключены к второй шине тока. Выходы 20 и 21 логических элементов И в обеих микросхемах объединены и присоединены к управляющим входам транзисторов 8 и 9 соответственно, а выходы 22 и 23 логических элементов И в обеих микросхемах также объединены и присоединены соответственно к управляющим входам транзисторов 10 и 11. Катушка 7 электромагнитного реле присоединена к датчику напряжения питающей сети 36.

Схема устройства работает следующим образом.

После подключения устройства к питающей сети (пусковые элементы для простоты на фиг. 2 не показаны) появляются сигналы тока и напряжения на выходах датчиков 14 и 26 соответственно. Ток в нагрузке 13 в общем случае сдвинут относительно напряжения на некоторый угол ϕ, величина которого зависит от реактанса нагрузки. В частности, при индуктивном реактансе, что наиболее типично, ток i₁ отстает от напряжения U₁, что иллюстрируется диаграммой 1 на фиг. 3. Датчиками 14 и 26, содержащими не показанные для простоты формирователи, кривые U₁ и i₁ преобразуются в сигналы прямоугольной формы (см. диаграмму 2 на фиг. 3) и поступают на соответствующие входы микросхем 18 и 19. На другие входы этих микросхем поступают сигналы с широтно-импульсного модулятора 15 и источника постоянного напряжения 35.

Пусть в момент времени t₀ (фиг. 3) начался "положительный" полупериод напряжения питающей сети. Допустим также, что напряжение сети ниже номинального, реле 7 выключено, замкнуты его контакты 4, 5, а также 31, 33 и трансформатор 1 включен в режиме вольтодобавки. Тогда на интервале t₁ - t₂ сигналы U₂ и i₂ (фиг. 3, диаграмма 2) положительны и на транзистор 8 проходит сигнал с широтно-импульсного модулятора 15 (диаграмма 3 на фиг. 3). В то же время на транзистор 10 проходит логическая единица с источника постоянного напряжения 35 через логический элемент И 22. Элемент ИЛИ 25 обеспечивает запоминание сигнала напряжения, имеющего "провал" до нуля (диаграмма 4, кривая U₄). Следовательно, на интервале t₁ - t₂ транзистор 10 постоянно отперт и шунтирует обмотку 2 трансформатора 1 в обратном току направлении (схема 1, интервал t₁-t₂). Поэтому при периодическом запирании транзистора 8 ток обмотки 2 замыкается через заранее отпертый транзистор 10 и перенапряжения не возникают.

На интервале t₂ - t₃ напряжение меняет полярность (диаграммы 1 и 2 на фиг. 3), сигнал широтно-импульсного модулятора 15 с выхода логического элемента И 20 исчезает, но появляется логическая единица на выходе элемента И 21, проходящая с источника постоянного напряжения 31. Значит, на интервале t₂ - t₃ транзистор 8 постоянно отперт. В то же время снимается логическая единица с элемента И 22, т.к. напряжение отрицательно и начинает проходить на базу транзистора 10 сигнал с широтно-импульсного модулятора 15 через логический элемент И 23. Таким образом, на интервале t₂ - t₃, т.е. на участке несовпадения полярностей тока и напряжения транзистор 10 отпирается в режиме широтно-импульсной модуляции, обеспечивая попеременно шунтирование обмотки 2 трансформатора 1, либо разряд запасенной в ней и нагрузке 13 энергии в питающую сеть.

Работа схемы на отрицательной полуволне тока аналогична вышеописанной: на интервале t₃ - t₄, когда полярности тока и напряжения совпадают, микросхема 19 пропускает серию импульсов с широтно-импульсного модулятора 15 на базу транзистора 9 и непрерывный сигнал на базу транзистора 11. На диаграмме 4 (фиг. 3) показаны напряжение U₄ и ток i₄ рассмотренного режима "вольтодобавки", а на диаграмме 5 отрезки жирных линий обозначают интервалы включения транзисторов 8 и 9 в режиме широтно-импульсной модуляции. Если напряжение сети превысит номинальное значение, то по сигналу датчика напряжения 36 включится реле 7 и его контакты (реверсор) 3, 6, 32, 34 замкнутся, а 4, 5, 31, 33 разомкнутся. Соответственно изменится на 180 эл. град. фаза напряжения вторичной обмотки 12 вольтодобавочного трансформатора 1. Он перейдет в режим вольтопонижающего, а кривая тока t₆ и огибающая кривой напряжения U₆ (диаграмма 6 на фиг. 3) сдвинутся друг относительно друга на 180 эл. град. Интервалы 0 - t₁, t₂ - t₃, t₄ - t₅ на диаграмме 7 в этом режиме соответствуют передаче энергии вольтодобавочным трансформатором в нагрузку. При чисто резистивной нагрузке эти интервалы были бы равны нулю. На интервалах t₁ - t₂, t₃ - t₄ происходит передача в питающую сеть избыточной энергии через трансформатор 1. Соответственно на обозначенных жирной линией интервалах диаграммы 7 транзисторы 8 и 9 работают в режиме широтно-импульсной модуляции, а на остальных интервалах непрерывно отперты, то есть эквивалентны диодам.

На фиг. 4 представлены эквивалентные схемы цепи первичной обмотки 12 вольтодобавочного трансформатора 1 для различных временных интервалов как в режиме "вольтодобавки" (диаграммы 1), так и в режиме вольтопонижения (диаграммы 2). Индуктивности вторичной обмотки и нагрузки приведены к первичной обмотке. Диаграммы наглядно показывают, что в обоих режимах работы электронного стабилизатора коммутационные перенапряжения либо практически равны нулю (обмотка 12 зашунтирована), либо ограничены мгновенным значением напряжения питающей сети.

Таким образом, поставленная задача решена.

Следует заметить, что как в прототипе, так и в предложенном устройстве реверсор первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора выполнен не на бесконтактных ключах, а на электромагнитном реле. Такое решение вполне оправдано тем, что переход напряжения сети через номинальное значение имеет низкую частоту, поэтому срок службы реле практически не ограничен, а его стоимость существенно меньше стоимости бесконтактных ключей.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения 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 вольтодобавочный трансформатор, первичная обмотка которого шунтирована первым униполярным транзисторным ключом в виде двух встречно-параллельных транзисторов и включена в диагональ мостового реверсора, выполненного на контактах электромагнитного реле с катушкой, подключенной к датчику напряжения питающей сети, и присоединенного свободной диагональю к питающей сети через второй униполярный транзисторный ключ, а вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора включена в питающую сеть последовательно с датчиком тока и нагрузкой, снабженной датчиком напряжения нагрузки, а также содержащий систему регулирования, выполненную по принципу отрицательной обратной связи по напряжению нагрузки и имеющую широтно-импульсный модулятор и компаратор, соответствующие входы которого соединены с датчиком напряжения нагрузки и источником эталонного напряжения, а выход подключен к входу широтно-импульсного модулятора, связанного своим выходом через логическую систему управления с управляющими входами униполярных транзисторных ключей, отличающийся тем, что логическая система управления выполнена в виде двух одинаковых микросхем, содержащих четыре трехвходовых логических элемента И и два двухвходовых логических элемента ИЛИ каждая, в схему электронного стабилизатора введены дополнительно датчик напряжения вольтодобавочного трансформатора, шунтирующий входом его вторичную обмотку, источник постоянного напряжения, а также вспомогательный мостовой реверсор, выполненный на дополнительных контактах электромагнитного реле, причем в обеих микросхемах входы первого и четвертого логических элементов И подключены к выходу широтно-импульсного модулятора, первые входы второго и третьего логических элементов И - к источнику постоянного напряжения, вторые входы первых логических элементов И - к плюсовой шине напряжения непосредственно, а вторые входы третьих логических элементов И - к этой шине через логические элементы ИЛИ, охваченные с выходов своих логических элементов И петлей обратной связи на свои свободные входы, вторые входы четвертых логических элементов И подключены к минусовой шине напряжения непосредственно, а вторые входы вторых элементов И - к этой шине через логические элементы ИЛИ, охваченные с выходов своих логических элементов И петлей обратной связи на свои свободные входы, плюсовая и минусовая шины напряжения подключены соответственно к катоду и аноду двух диодов, свободные выводы которых объединены с выходом датчика напряжения вольтодобавочного трансформатора, третьи входы всех логических элементов И первой микросхемы подключены к первой шине тока, а третьи входы всех логических элементов И второй микросхемы - к второй шине тока, шины тока подключены к двум плечам первой диагонали вспомогательного мостового реверсора, два плеча второй диагонали которого подключены соответственно к аноду одного и катоду второго диодов, свободные выводы этих диодов объединены и подключены к выходу датчика тока в обеих микросхемах, выходы первого и второго логических элементов И объединены с управляющими входами соответствующих транзисторов второго транзисторного униполярного ключа, а выходы третьего и четвертого логических элементов И объединены с управляющими входами соответствующих транзисторов первого униполярного транзисторного ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4