Стабилизатор переменного напряжения
Заявляемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано как устройство для улучшения электроснабжения потребителей, критичных к качеству питающего напряжения. Уровень техники заявляемого изобретения определяется известными техническими решениями в виде регулирующих устройств, устанавливаемых между источником переменного напряжения и нагрузкой, критичной к качеству напряжения питания, содержащих трансформаторные стабилизаторы переменного напряжения, в которых обмотки трансформатора переключаются при помощи управляемых элементов коммутаторов. Технический результат, который необходимо достичь совокупностью существенных признаков заявляемого стабилизатора переменного напряжения, состоит в обеспечении потребителей напряжением питания с возможностью коррекции по следующим показателям его качества: заданной величине амплитудного, действующего или среднего значения напряжения; отсутствию просадок, толчков и скачков напряжения; наличию в кривой сформированного напряжения нормированных пульсаций, величина которых не приводит к потере работоспособности или снижению функциональных свойств питаемого оборудования. Сущность изобретения заявляемого стабилизатора переменного напряжения состоит в выполнении первичной обмотки трансформатора из двух частей-секций, что, наряду с обеспечением троичного квантования напряжения по уровню амплитуды, повышает точность стабилизации напряжения за счет увеличения дискретности его регулирования. Кроме того, в мостовой коммутатор, две параллельные ветви которого выполнены на управляемых ключевых элементах, введена третья такая же ветвь, средняя точка которой соединена со средней точкой первичной обмотки трансформатора. Управляющие выводы двенадцати управляемых ключевых элементов - силовых ключей, в частности встречно-параллельно включенных тиристоров, образуют двенадцать управляющих входов мостового коммутатора, которые связаны, соответственно, с двенадцатью выходами введенного блока управления, устройство которого обладает новизной и изобретательским уровнем, которые явным образом не следуют из уровня техники. То же относится и к связям с введенным в устройство датчиком напряжения на нагрузке и блоком питания, соответственно. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Заявляемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано как устройство для улучшения электроснабжения потребителей, критичных к качеству питающего напряжения, например осветительных установок, вычислительных комплексов, информационных систем, средств передачи данных и других, в условиях нарушения качества напряжения питания по уровню, колебаниям и пульсациям.
Уровень техники заявляемого изобретения определяется известными техническими решениями в виде регулирующих устройств, устанавливаемых между источником переменного напряжения и нагрузкой, критичной к качеству напряжения питания, содержащих трансформаторные стабилизаторы переменного напряжения, в которых обмотки трансформатора переключаются при помощи управляемых элементов коммутаторов [Окунь С.С., Сергеенков Б.Н., Киселев В.М. Трансформаторные и трансформаторно-тиристорные регуляторы - стабилизаторы напряжения. М.: Энергия, 1969, 183 с.]. В качестве таких элементов традиционно используются, например, встречно-параллельно включенные тиристоры, симисторы, диодно-тиристорные и диодно-транзисторные схемные комбинации и другие.
Известен регулируемый трансформаторно-тиристорный стабилизатор напряжения переменного тока с использованием в качестве управляемых элементов коммутаторов переключателей с встречно-параллельно включенными тиристорами [Окунь С.С., Сергеенков Б.Н., Киселев В.М. Трансформаторные и трансформаторно-тиристорные регуляторы - стабилизаторы напряжения. М.: Энергия, 1969, 183 с.].
Наиболее близким по технической сущности и уровню техники к заявляемому устройству является стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор с обмотками, переключаемыми управляемыми коммутаторами в дискретные, строго фиксированные, моменты времени, задаваемые сигналами управления. Такое управление позволяет получить как двоичное квантование выходного напряжения, при котором приращение этого напряжения отсутствует или складывается с ним, так и троичное квантование, при котором указанное приращение напряжения может отсутствовать, складываться или вычитаться с указанным выходным напряжением питания нагрузки [Миловидов В.П., Мусолин А.К. Дискретные стабилизаторы и формирователи напряжения, М.: Энергоатомиздат, 1986 г., с.8-9, рис.1.1].
Недостатком данного стабилизатора напряжения является коммутация трансформаторной обмотки целиком, что приводит к значительным искажениям формы выходного напряжения. Кроме того, в данном стабилизаторе напряжения первичная обмотка трансформатора через управляемые силовые ключи непосредственно связана с сетью, что снижает надежность коммутируемой обмотки из-за возможности возникновения коммутационных перенапряжений.
Технический результат, который необходимо достичь совокупностью существенных признаков заявляемого стабилизатора переменного напряжения, состоит в обеспечении потребителей напряжением питания по следующим показателям качества:
- заданной величине амплитудного, действующего или среднего значения напряжения;
- отсутствию нежелательных и неожиданных просадок, толчков и скачков напряжения;
- наличию в кривой сформированного напряжения нормированных пульсаций, величина которых не приводит к потере работоспособности или снижению функциональных свойств питаемого оборудования.
Кроме того, технический результат состоит в повышении надежности путем снижения опасности возникновения перенапряжений в обмотках трансформатора и управляемом коммутаторе.
Изобретательский уровень заявляемого стабилизатора переменного напряжения для достижения указанного технического результата состоит в выполнении первичной обмотки трансформатора из двух частей-секций, что, наряду с обеспечением троичного квантования напряжения по уровню амплитуды, повышает точность стабилизации напряжения за счет увеличения дискретности его регулирования. Кроме того, в мостовой коммутатор, две параллельные ветви которого выполнены на управляемых ключевых элементах, введена третья такая же ветвь, средняя точка которой соединена со средней точкой первичной обмотки трансформатора. Управляющие выводы двенадцати управляемых ключевых элементов - силовых ключей, в частности встречно-паральлельно включенных тиристоров, образуют двенадцать управляющих входов мостового коммутатора, которые связаны, соответственно, с двенадцатью выходами блока управления, устройство которого обладает новизной и изобретательским уровнем, который явным образом не следует из уровня техники. То же относится и к связям с введенным в устройство датчиком напряжения на нагрузке Uвх1 и блоком питания Uвх2, соответственно. Один силовой вывод коммутатора перенесен с первой сетевой клеммы на зажим нагрузки, а между другим его выводом и второй сетевой клеммой включена индуктивность, в качестве которой используется реактор или дроссель.
Промышленная применимость заявляемого стабилизатора переменного напряжения подтверждается возможностью практической реализации известными средствами, т.е. применяемыми в силовой преобразовательной технике, т.е. трансформатор в комплекте с мостовым тиристорным коммутатором, управляемым от блока управления, и методами, используемыми для импульсного регулирования напряжения, в тех случаях, когда необходимо обеспечить электроснабжение потребителей, критичных к качеству напряжения питания по следующим показателям:
- заданной величине амплитудного, действующего или среднего значения;
- отсутствию нежелательных и неожиданных просадок, толчков и скачков;
- наличию в кривой сформированного напряжения нормированных пульсаций, величина которых не приводит к потере работоспособности или снижению функциональных свойств питаемого оборудования.
Сущность изобретения состоит в том, что в стабилизаторе переменного напряжения, содержащем трансформатор с первичной и вторичной обмотками, имеющими соответствующие выводы, мостовой коммутатор, имеющий соединенные в узлы параллельные ветви, каждая из которых содержит по два управляемых ключевых элемента, соединенных последовательно, а точки этих соединений имеют выводы, подключенные к соответствующим выводам первичной обмотки трансформатора, узловые соединения двух параллельных ветвей мостового коммутатора имеют выводы, один из которых связан с одной клеммой источника питания и с одной клеммой нагрузки, а между двумя другими клеммами нагрузки и источника питания включена вторичная обмотка трансформатора, для достижения технического результата первичная обмотка трансформатора выполнена из двух последовательно соединенных секций, точка соединения которых выведена наружу, мостовой коммутатор снабжен третьей параллельной ветвью, содержащей два управляемых ключевых элемента, соединенных последовательно, а точка этого соединения подключена к выведенной наружу средней точке последовательно соединенных двух секций первичной обмотки трансформатора, управляющие выводы шести управляемых силовых элементов - встречно-паральлельно включенных тиристоров образуют двенадцать управляющих входов мостового коммутатора, которые связаны соответственно с двенадцатью выходами введенного в устройство блока управления, снабженного двумя входами, первый из которых связан с выходом введенного датчика напряжения нагрузки, а второй его вход связан с выходом введенного блока питания, между одним выводом мостового коммутатора и второй клеммой источника питания и нагрузки включена введенная в устройство индуктивность, а другой силовой вывод коммутатора связан с клеммой соединения вывода вторичной обмотки трансформатора и нагрузки, кроме того, в устройство введены контактор с размыкающим и замыкающим контактами, двухполюсный выключатель и ограничитель перенапряжений, включенный параллельно первичной обмотке трансформатора, первая и вторая секции которой закорочены размыкающим контактом контактора, через замыкающий контакт которого осуществлена связь между выходом блока питания и вторым входом блока управления, катушка контактора запитана от блока питания через один контакт двухполюсного выключателя, а через другой его контакт выполнена связь между другим силовым выводом мостового коммутатора и клеммой соединения вывода вторичной обмотки трансформатора и нагрузки.
Сущность изобретения состоит также в том, что, в заявляемом стабилизаторе переменного напряжения блок управления, имеющий первый и второй входы и двенадцать выходов, содержит генератор линейно изменяющегося напряжения с нуль-органом на входе, операционный усилитель с одним выходом и двумя входами, один из которых соединен с выходом вычислителя значения напряжения за полупериод, а другой его вход связан с выходом источника опорного напряжения, источник напряжения смещения, имеющий четыре выхода, определитель полярности напряжения, имеющий два выхода, прямой и инверсный, и один вход, объединенный со входами нуль-органа и вычислителя среднего за полупериод значения напряжения, образуя при этом первый вход данного блока управления, который, кроме того, содержит первый, второй, третий и четвертый компараторы, каждый из которых имеет по одному выходу и по три входа, первые из которых соединены с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, вторые из которых соединены с выходом операционного усилителя, а третьи из которых соединены с соответствующими выходами источника напряжения смещения, четыре элемента ИЛИ-НЕ, первый из которых имеет один вход, второй из которых имеет два входа, третий из которых имеет три входа, а четвертый имеет четыре входа, соединенные с выходами четырех компараторов, три входа третьего элемента ИЛИ-НЕ соединены с выходами первых трех компараторов, два входа второго элемента ИЛИ-НЕ соединены с выходами первых двух компараторов, а вход первого элемента ИЛИ-НЕ соединен с выходом первого компаратора, десять элементов И, первый, второй, девятый и десятый из которых имеют по два входа, а третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой из которых имеют по три входа, прямой выход определителя полярности напряжения соединен с соответствующими входами первого, третьего, пятого, седьмого и девятого элементов И, а инверсный выход этого блока соединен с соответствующими входами второго, четвертого, шестого, восьмого и десятого элементов И, вторые входы первого и второго элементов И соединены с выходом первого компаратора, вторые входы девятого и десятого элементов И соединены с выходом четвертого элемента ИЛИ-НЕ, вторые входы третьего и четвертого элементов И соединены с выходом первого ИЛИ-НЕ элемента, а третьи входы третьего и четвертого элементов И соединены с выходом второго компаратора, вторые входы пятого и шестого элементов И соединены с выходом второго ИЛИ-НЕ элемента, а третьи входы пятого и шестого элементов И соединены с выходом третьего компаратора, вторые входы седьмого и восьмого элементов И соединены с выходом третьего ИЛИ-НЕ элемента, а третьи входы седьмого и восьмого элементов И соединены с выходом четвертого компаратора, выходы каждого из десяти элементов И соединены с первыми входами введенных в данный блок управления десятью формирователями импульсов, вторые входы которых объединены между собой и образуют второй вход блока управления, при этом каждый из десяти формирователей импульсов имеет по два выхода, первые выходы первого, третьего и пятого формирователей импульсов объединены и образуют первый выход блока управления, первые выходы второго, четвертого и шестого формирователей импульсов объединены и образуют второй выход блока управления, третий выход которого образует первый выход десятого формирователя импульсов, четвертый выход блока управления образует первый выход девятого формирователя импульсов, пятый выход блока управления образован вторым выходом шестого формирователя импульсов, объединенным с первым входом восьмого формирователей импульсов, шестой выход блока управления образован вторым выходом пятого формирователей импульсов, объединенным с первым выходом седьмого формирователей импульсов, седьмой выход блока управления образован объединенными вторыми выходами восьмого и десятого формирователей импульсов, восьмой выход блока управления образован объединенными вторыми выходами седьмого и девятого формирователей импульсов, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый выходы блока управления образованы вторыми выходами, соответственно, первого, второго, третьего и четвертого формирователей импульсов.
На фиг.1 изображена схема стабилизатора переменного напряжения.
На фиг.2 приведена схема блока управления.
На фиг.3 представлена схема источника напряжения смещения.
На фиг.4 представлена схема одного из формирователей импульсов.
На фиг.5 изображены диаграммы напряжения сети, нагрузки и интервалы проводимости тиристоров при скачкообразном увеличении напряжения питающей сети.
На фиг.6 показаны диаграммы процесса формирования импульсов управления тиристорами и форма напряжения на нагрузке.
Стабилизатор переменного напряжения (фиг.1) содержит трансформатор 1 с первичной 2 и вторичной 3 обмотками, имеющими соответствующие выводы, мостовой коммутатор 4, содержащий соединенные в узлы 5 и 6 параллельные ветви 7 и 8, каждая из которых содержит по два управляемых ключевых элемента 9 и 10, 11 и 12 соответственно, соединенных последовательно, а точки этих соединений имеют выводы, подключенные к соответствующим выводам первичной обмотки 2 трансформатора 1, узловые соединения 5 и 6 двух параллельных ветвей мостового коммутатора имеют выводы, один из которых связан с одной клеммой 13 источника питания и с одной клеммой 14 нагрузки, а между двумя другими клеммами нагрузки 15 и источника питания 16 включена вторичная обмотка 3 трансформатора 1, причем первичная обмотка 2 трансформатора 1 выполнена из двух последовательно соединенных секций 17 и 18, точка соединения которых выведена наружу, мостовой коммутатор 4 снабжен третьей параллельной ветвью 19, содержащей два управляемых ключевых элемента 20 и 21, соединенных последовательно, а точка этого соединения подключена к выведенной наружу средней точке последовательно соединенных двух секций 17 и 18 первичной обмотки 2 трансформатора 1, управляющие выводы шести управляемых силовых элементов, соответственно, 9, 10, 11, 12, 20 и 21 - встречно-паральлельно включенных тиристоров, с первого по двенадцатый, образуют двенадцать управляющих входов Т1-Т12 мостового коммутатора 4, которые совпадают, соответственно, с двенадцатью Т1-Т12 выходами 22 введенного в устройство блока управления 23, снабженного двумя входами 24 и 25, первый 24 из которых связан с выходом введенного в устройство датчика 26 напряжения нагрузки, а второй 25 его вход связан с выходом введенного в устройство блока питания 27, между одним выводом 5 мостового коммутатора 4 и второй клеммой источника питания 13 и нагрузки 14 включена введенная в устройство индуктивность 28, а другой силовой вывод 6 мостового коммутатора 4 связан с клеммой соединения вывода вторичной обмотки 3 трансформатора 1 и клеммой 15 нагрузки, кроме того, в устройство введены контактор 29 с размыкающим 30 и замыкающим 31 контактами, двухполюсный выключатель 32 и ограничитель 33 перенапряжений, включенный параллельно первичной обмотке 2 трансформатора 1, первая и вторая секция 18 которой закорочена размыкающим контактом 30 контактора 29, через замыкающий контакт 31 которого осуществлена связь между выходом блока питания 27 и вторым входом 25 блока управления 23, катушка контактора 29 запитана от блока питания 27 через один контакт двухполюсного выключателя 32, а через другой его контакт выполнена связь между другим силовым выводом 6 мостового коммутатора 4 и клеммой соединения вывода вторичной обмотки 3 трансформатора 1 и клеммой 15 нагрузки.
Блок управления 23 (фиг.2), имеющий первый 24 и второй 25 входы и двенадцать выходов 22, содержит генератор 34 линейно изменяющегося напряжения с нуль-органом 35 на входе, операционный усилитель 36 с одним выходом и двумя входами, один из которых соединен с выходом вычислителя 37 значения за полупериод напряжения, а другой его вход связан с выходом источника 38 опорного напряжения, источник 39 напряжения смещения, имеющий четыре выхода, определитель 40 полярности напряжения, имеющий два выхода, прямой и инверсный, и один вход, объединенный со входами нуль-органа 35 и вычислителя 37 значения напряжения за полупериод, образуя при этом первый вход данного блока управления 23, который, кроме того, содержит первый 41, второй 42, третий 43 и четвертый 44 компараторы, каждый из которых имеет по одному выходу и по три входа, первые из которых соединены с выходом генератора 34 линейно изменяющегося напряжения, вторые из которых соединены с выходом операционного усилителя 36, а третьи из которых соединены с соответствующими выходами источника 39 напряжения смещения, четыре элемента ИЛИ-НЕ 45, 46, 47, 48, первый 45 из которых имеет один вход, второй 46 из которых имеет два входа, третий 47 из которых имеет три входа, а четвертый 48 имеет четыре входа, соединенные, соответственно, с выходами четырех компараторов 41, 42, 43, 44, три входа третьего элемента ИЛИ-НЕ 47 соединены, соответственно, с выходами первых трех компараторов 41, 42 и 43, два входа второго элемента ИЛИ-НЕ 46 соединены с выходами первых двух компараторов 41 и 42, а вход первого элемента ИЛИ-НЕ 45 соединен с выходом первого компаратора 41, десять элементов И 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, первый 49, второй 50, девятый 57 и десятый 58 из которых имеют по два входа, а третий 51, четвертый 52, пятый 53, шестой 54, седьмой 55 и восьмой 56 из которых имеют по три входа, прямой выход определителя 40 полярности напряжения соединен с соответствующими входами первого 49, третьего 51, пятого 53, седьмого 55 и девятого 57 элементов И, а инверсный выход этого определителя 40 соединен с соответствующими входами второго 50, четвертого 52, шестого 54, восьмого 56 и десятого 58 элементов И, вторые входы первого 49 и второго 50 элементов И соединены с выходом первого компаратора 41, вторые входы девятого 57 и десятого 58 элементов И соединены с выходом четвертого элемента ИЛИ-НЕ 48, вторые входы третьего 51 и четвертого 52 элементов И соединены с выходом первого элемента ИЛИ-НЕ 45, а третьи входы третьего 51 и четвертого 52 элементов И соединены с выходом второго компаратора 46, вторые входы пятого 53 и шестого 54 элементов И соединены с выходом второго элемента ИЛИ-НЕ 46, а третьи входы пятого 53 и шестого 54 элементов И соединены с выходом третьего компаратора 43, вторые входы седьмого 55 и восьмого 56 элементов И соединены с выходом третьего элемента ИЛИ-НЕ 47, а третьи входы седьмого 55 и восьмого 56 элементов И соединены с выходом четвертого компаратора 44, выходы каждого из десяти элементов И с 49 по 58 соединены с первыми входами введенных в данный блок управления 23 десятью формирователями импульсов 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, вторые входы которых объединены между собой и образуют второй вход 25 блока управления 23, при этом каждый из десяти формирователей импульсов с 59 по 68 имеет по два выхода, первые выходы первого 59, третьего 61 и пятого 63 формирователей импульсов объединены и образуют первый выход блока управления 23, первые выходы второго 60, четвертого 62 и шестого 64 формирователей импульсов объединены и образуют второй выход блока управления 23, третий выход которого образует первый выход десятого 68 формирователя импульсов, четвертый выход блока управления 23 образует первый выход девятого 67 формирователя импульсов, пятый выход блока управления 23 образован вторым выходом шестого 64 формирователя импульсов, объединенным с первым выходом восьмого 66 формирователя импульсов, шестой выход блока управления 23 образован вторым выходом пятого 63 формирователя импульсов, объединенным с первым выходом седьмого 65 формирователя импульсов, седьмой выход блока управления 23 образован объединенными вторыми выходами восьмого 66 и десятого 68 формирователей импульсов, восьмой выход блока управления 23 образован объединенными вторыми выходами седьмого 65 и девятого 67 формирователей импульсов, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый выходы блока управления 23 образованы вторыми выходами первого 59, второго 60, третьего 61 и четвертого 62 формирователей импульсов, соответственно.
На фиг.3 раскрыта схема блока 39 источника напряжений смещения в виде делителя напряжения с равными ступенями деления, равными амплитуде Um генератора линейно изменяющегося напряжения. Делитель напряжения выполнен из пяти последовательно соединенных резисторов 69, 70, 71, 72, 73, подключенных к выходу блока питания 27.
На фиг.4 представлена схема одного из вариантов типового выполнения десяти формирователей импульсов 59-68. Два последовательно соединенных элемента И-НЕ 74 и 75, охваченные интегрирующей обратной связью 76, выходом подключены к базе транзистора 77, с коллектором которого через импульсный трансформатор 78 осуществляется связь с управляющим электродом соответствующего тиристора Т1-Т12.
Работа стабилизатора переменного напряжения происходит следующим образом. На фиг.5 представлен процесс стабилизации напряжения на нагрузке при скачкообразном увеличении напряжения на выходе источника питания. До момента t1 напряжение питания соответствует заданному значению. На этом интервале в каждом полупериоде напряжения включаются тиристоры Т1, Т6 и Т2, Т5, соответственно. Секции обмотки 2 трансформатора 1 оказываются закороченными, на обмотках 3, 17 и 18 напряжение равно нулю и напряжение на выходе Uн равно входному напряжению Uвх. В момент t1 происходит увеличение напряжения Uвх. Вычислитель значения напряжения на нагрузке за полупериод, соответствующий моменту t1, увеличивает выходной сигнал, что приводит к уменьшению сигнала Uу на выходе усилителя 36 (фиг.2). Поэтому согласно диаграмме на фиг.5, на следующем отрицательном полупериоде произойдет включение тиристоров Т5 и Т7, что приведет к работе обмотки 3 трансформатора 1 в режиме вольтовычитания, снижая напряжение на выходе ниже уровня стабильного напряжения. Это показано пунктирной кривой Uн на фиг.5. В момент t2 включаются тиристоры Т2 и Т5, закорачивая обмотки 17 и 18 трансформатора 1, в результате чего напряжение на нагрузке повышается выше стабильного уровня. При этом среднее за полупериод выходное напряжение, т.е. напряжение на нагрузке, остается стабильным.
На фиг.6 работа стабилизатора переменного напряжения поясняется диаграммами более подробно. От источника электроэнергии, напряжение на выходе которого необходимо стабилизировать для питания нагрузки, критичной к показателям качества этого напряжения Uвх - верхняя кривая, через клеммы 13 и 16 поступает на вход заявляемого стабилизатора переменного напряжения, к выходу которого через клеммы 14 и 15 подключена нагрузка на напряжение Uвых, которое является напряжением нагрузки Uн - нижняя кривая. После того, как взведен двухполюсный автоматический выключатель QF 32, обе секции 17 и 18 первичной обмотки 2 трансформатора 1 оказываются подключены через мостовой коммутатор 4 и основной полюс автоматического выключателя 32 к клемме нагрузки 15, а через вспомогательный полюс автоматического выключателя 32 запитывается от блока питания 27 катушка магнитного контактора 29, размыкающий контакт 30 которого размыкается, а замыкающий контакт 31 замыкается. В результате этой коммутации вторая секция 18 первичной обмотки 2 оказывается разблокированной и тем самым готовой к работе, а через контакт 31 подается напряжение питания на второй вход 25 блока управления 23. Напряжение на нагрузке контролируется датчиком 26 и подается на первый вход 24 блока управления 23, внутри которого это напряжение поступает одновременно на входы нуль-органа 35, вычислителя 37, в зависимости от решаемой задачи, среднего за полупериод действующего или амплитудногого значения напряжения и определителя 40 полярности напряжения нагрузки. Сигналы с выходов определителя 40 полярности напряжения обеспечивают формирование импульсов управления тиристорами только в течение одного полупериода, что исключает возможность короткого замыкания через одновременно включенные тиристоры. Нуль-орган 35 формирует в моменты перехода напряжения нагрузки через нуль показанные на второй сверху диаграмме узкие одиночные импульсы, поступающие на вход генератора линейно изменяющегося напряжения 34, показанного на третьей сверху диаграмме ГЛН. С прямого и инверсного выходов определителя 40 полярности напряжения поступают прямоугольные положительные и инверсные им импульсы, показанные на четвертой и пятой сверху диаграммах, соответственно. На четырех выходах источника 39 образуются напряжения смещения U1, U2, U3, U4, кратные амплитуде Uглн.m выходного напряжения блока 34, причем кратность равна номеру ступени регулирования выходного напряжения в порядке возрастания, в работе которой участвует соответствующий компаратор с 41 по 44, на первые входы которого поступает линейно изменяющееся напряжение с выхода блока 34.
U1=4Uглн.m; U2=3Uглн.m; U3=2Uглн.m; U4=Uглн.m,
где Uглн.m - максимальное значение пилообразного напряжения на выходе блока 34, показанного на фиг.6 третьей сверху диаграммой, обозначенной ГЛН.
Сигнал рассогласования между величиной среднего за полупериод напряжения нагрузки, подаваемого с выхода вычислителя среднего напряжения 37, и величиной опорного напряжения Uo, подаваемого с выхода источника опорного напряжения 38, поступает с выхода операционного усилится 36 в качестве напряжения управления Uу, поступает на вторые входы четырех компараторов с 41 по 44, на третьи входы которых с выхода источника 39 поступают напряжения смещения U1, U2, U3, U4, соответственно, что показано на шестой сверху диаграмме. В следствие этого на выходах компараторов с 41 по 44 формируются напряжения, показанные, соответственно, на седьмой, восьмой, девятой и десятой сверху диаграммах. Напряжения с выхода четырех компараторов с 41 по 44 и с выходов определителя 40 полярности напряжения нагрузки на четырех логических элементах ИЛИ-НЕ с 45 по 48 и десяти логических элементах И с 49 по 58 реализуют следующие логические функции:
где П - логический сигнал с выхода определителя полярности напряжения,
К1-К4 - сигналы с выходов соответствующих компараторов,
У1-У10 - сигналы на выходах соответствующих логических элементов И, являющиеся логическими сигналами на управляющих входах соответствующих десяти формирователей импульсов с 59 по 68, для управления проводимостью парами тиристоров внутри каждого полупериода напряжения питания нагрузки, подключенной между клеммами 14 и 15.
Импульсы управления формируются только для тех тиристоров, которые участвуют в работе данной ступени регулирования, при этом в зависимости от уровня сигнала с выхода операционного усилителя 36 фаза переключения секций 17 или 18 первичной обмотки 2 трансформатора 1 изменяется так, чтобы значение напряжения нагрузки оставалось в заданных пределах отклонения от опорного напряжения и не приводило к недопустимым возмущающим факторам.
Это позволяет упростить схему управления и повысить быстродействие процесса стабилизации, т.к. как это следует из двенадцатой диаграммы Uн (фиг.2), переключение секций можно осуществлять не только в моменты прохождения тока нагрузки через нуль, но и внутри каждого полупериода напряжения питания.
При внутренних отказах, например пробое одного из двенадцати тиристоров, приводящих к внутренним коротким замыканиям, происходит срабатывание автоматического выключателя QF 32, главный его полюс отключает другой вывод 6 мостового коммутатора 4, и первичную обмотку 2 трансформатора 1, а второй его полюс - вспомогательный выключает питание обмотки контактора 29 - контакт 31 размыкается, прекращая подачу напряжения питания сразу на все десять формирователей импульсов. Одновременно контакт 30 замыкает секции 17 и 18 первичной обмотки 2 трансформатора 1, что эквивалентно подключению нагрузки на вход источника питания через индуктивность вторичной обмотки 3 трансформатора 1. При этом режим стабилизации отсутствует, но нагрузка не обесточивается, что временно повышает надежность электроснабжения потребителей. Токоограничивающий реактор или дроссель 28 служит для ограничения токов внутреннего короткого замыкания, а для ограничения возможных перенапряжений параллельно первичной обмотке 2 трансформатора 1 присоединен ограничитель перенапряжений 33, например варистор. Токи, протекающие по первичной обмотке 2 трансформатора 1 и соответствующим тиристорам, в несколько раз меньше тока нагрузки и определяются коэффициентом трансформации трансформатора 1, который, в свою очередь, определяется относительной величиной отклонения входного напряжения от заданного или номинального значения, например при отклонениях входного напряжения в пределах ±20% ток в первичной обмотке составляет также около 20% от тока нагрузки. Это позволит сократить установленную мощность трансформатора 1 и тиристоров мостового коммутатора 4, вследствие чего можно ожидать сокращения массогабаритных и стоимостных показателей заявляемого стабилизатора переменного напряжения.
1. Стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор с первичной и вторичной обмотками, мостовой коммутатор, содержащий соединенные крайними выводами в узлы две параллельные ветви, каждая из которых содержит два управляемых ключевых элемента, соединенных последовательно, а точки этих соединений имеют выводы, подключенные к соответствующим выводам первичной обмотки трансформатора, вывод одного узла мостового коммутатора связан с одной клеммой источника питания и с одной клеммой нагрузки, а между одной из клемм нагрузки и одной из клемм источника питания включена вторичная обмотка трансформатора, отличающийся тем, что первичная обмотка трансформатора выполнена из двух последовательно соединенных секций, мостовой коммутатор снабжен третьей параллельной ветвью, содержащей два управляемых ключевых элемента, соединенных последовательно, точка соединения которых подключена к общей точке секций первичной обмотки трансформатора, управляемые ключевые элементы выполнены в виде пар встречно-параллельно включенных тиристоров, управляющие выводы которых образуют двенадцать управляющих входов мостового коммутатора, которые связаны с соответствующими двенадцатью выходами введенного блока управления, снабженного двумя входами, первый из которых связан с выходом введенного датчика напряжения нагрузки, между выводом одного узла мостового коммутатора и вторыми общими клеммами источника питания и нагрузки включена введенная индуктивность, кроме того, в устройство введены контактор с размыкающим и замыкающим контактами, двухполюсный выключатель и ограничитель перенапряжений, включенный параллельно первичной обмотке трансформатора, первая и вторая секция которой закорочены размыкающим контактом контактора, через замыкающий контакт которого осуществлена связь между выходом введенного блока питания и вторым входом блока управления, катушка контактора запитана от блока питания через один контакт двухполюсного выключателя, а через другой его контакт выполнена связь между вторым узлом мостового коммутатора и клеммой соединения вывода вторичной обмотки трансформатора и нагрузки.
2. Стабилизатор переменного напряжения по п.1, блок управления которого имеет первый и второй входы и двенадцать выходов, содержит генератор линейно изменяющегося напряжения с нуль-органом на входе, операционный усилитель с одним выходом и двумя входами, один из которых соединен с выходом вычислителя среднего за полупериод значения напряжения, а другой его вход связан с выходом источника опорного напряжения, источник напряжения смещения, имеющий четыре выхода, определитель полярности напряжения, имеющий два выхода - прямой и инверсный - и один вход, объединенный с входами нуль-органа и вычислителя среднего за полупериод значения напряжения, образуя при этом первый вход данного блока управления, который, кроме того, содержит первый, второй, третий и четвертый компараторы, каждый из которых имеет по одному выходу и по три входа, первые из которых соединены с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, вторые из которых соединены с выходом операционного усилителя, а третьи из которых соединены с соответствующими выходами источника напряжения смещения, четыре элемента ИЛИ-НЕ, первый из которых имеет один вход, второй из которых имеет два входа, третий из которых имеет три входа, а четвертый имеет четыре входа, соединенные с выходами четырех компараторов, три входа третьего элемента ИЛИ-НЕ соединены с выходами первых трех компараторов, два входа второго элемента ИЛИ-НЕ соединены с выходами первых двух компараторов, а вход первого элемента ИЛИ-НЕ соединен с выходом первого компаратора, десять элементов И, первый, второй, девятый и десятый из которых имеют по два входа, а третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой из которых имеют по три входа, прямой выход определителя полярности напряжения соединен с соответствующими входами первого, третьего, пятого, седьмого и девятого элементов И, а инверсный выход этого определителя полярности напряжения соединен с соответствующими входами второго, четвертого, шестого, восьмого и десятого элементов И, вторые входы первого и второго элементов И соединены с выходом первого компаратора, вторые входы девятого и десятого элементов И соединены с выходом четвертого элемента ИЛИ-НЕ, вторые входы третьего и четвертого элементов И соединены с выходом первого ИЛИ-НЕ элемента, а третьи входы третьего и четвертого элементов И соединены с выходом второго компаратора, вторые входы пятого и шестого элементов И соединены с выходом второго ИЛИ-НЕ элемента, а третьи входы пятого и шестого элементов И соединены с выходом третьего компаратора, вторые входы седьмого и восьмого элементов И соединены с выходом третьего ИЛИ-НЕ элемента, а третьи входы седьмого и восьмого элементов И соединены с выходом четвертого компаратора, выходы каждого из десяти элементов И соединены с первыми входами введенных в данный блок управления десятью формирователями импульсов, вторые входы которых объединены между собой и образуют второй вход блока управления, при этом каждый из десяти формирователей импульсов имеет по два выхода, первые выходы первого, третьего и пятого формирователей импульсов объединены и образуют первый выход блока управления, первые выходы второго, четвертого и шестого формирователей импульсов объединены и образуют второй выход блока управления, третий выход которого образует первый выход десятого формирователя импульсов, четвертый выход блока управления образует первый выход девятого формирователя импульсов, пятый выход блока управления образован вторым выходом шестого формирователя импульсов, объединенным с первым выходом восьмого формирователя импульсов, шестой выход блока управления образован вторым выходом пятого формирователя импульсов, объединенным с первым выходом седьмого формирователя импульсов, седьмой выход блока управления образован объединенными вторыми выходами восьмого и десятого формирователей импульсов, восьмой выход блока управления образован объединенными вторыми выходами седьмого и девятого формирователей импульсов, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый выходы блока управления образованы вторыми выходами первого, второго, третьего и четвертого формирователей импульсов, соответственно.
