Стабилизатор переменного напряжения

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного питания. Технический результат - повышение КПД, уменьшение искажений формы кривой выходного напряжения и упрощение схемного решения, что повышает эксплуатационную надежность. Сущность изобретения состоит в том, что нагрузка подключается к выходу повышающего трансформатора последовательно с двумя параллельно включенными катушками различной индуктивности, намотанными на одном замкнутом ферромагнитном сердечнике, причем последовательно с катушкой с большей индуктивностью включен переменный резистор, регулируемый блоком управления, вход которого подключен к выходу стабилизатора. 4 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности ко вторичным источникам электропитания - стабилизаторам переменного напряжения.

Известны аналогичные устройства [1, 2, 3, 4], обладающие одним общим недостатком: они не обеспечивают стабилизацию переменного напряжения на нагрузке, потребляющей мощность несколько киловатт, при высоких требованиях к КПД и форме кривой выходного синусоидального напряжения.

Основной проблемой в условиях значительной мощности и жестких требований к форме кривой выходного напряжения стабилизаторов является проблема построения регулируемого элемента. Активные и пассивные резистивные регулируемые элементы в этих условиях практически неприемлемы ввиду больших необходимых мощностей рассеивания, искажения формы кривой и значительного снижения КПД стабилизатора.

Наиболее близким по техническому использованию к предлагаемому устройству (прототипом) является стабилизатор переменного напряжения [5], в котором в качестве регулируемого элемента использованы рабочие обмотки магнитного усилителя, что не позволяет в принципе получить неискаженную кривую выходного напряжения, поскольку магнитный усилитель искажает форму протекающего в его рабочих обмотках тока по принципу своей работы.

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

Предлагаемый стабилизатор переменного напряжения предназначен для стабилизации напряжения на нагрузке, потребляющей мощность порядка нескольких киловатт, повышения КПД и уменьшения коэффициента несинусоидальности выходного напряжения.

Сущность изобретения заключается в том, что стабилизатор содержит регулируемый блоком управления элемент, включенный между входным повышающим трансформатором и нагрузкой, выполненный следующим образом. На замкнутом ферромагнитном (стальном) сердечнике намотаны две параллельные обмотки, причем последовательно с одной из обмоток включен переменный резистор, изменяющий свое активное сопротивление блоком управления. Входным сигналом блока управления является напряжение на нагрузке. Входы обмоток подключены к выходу повышающего трансформатора, а выходы обмоток связаны с выходом стабилизатора.

Схема электрическая функциональная предлагаемого стабилизатора переменного напряжения представлена на фиг.1. На фиг.2 и 3 представлены поясняющие принцип работы стабилизатора схемы: соответственно схема регулируемого элемента и его схема замещения, на фиг.4 - графики зависимости полного сопротивления регулируемого элемента от величины активного сопротивления переменного резистора.

Стабилизатор содержит повышающий трансформатор 1, подключенный своими входными клеммами 2 к сети. К выходам трансформатора подключены: последовательно соединенные нагрузка 3 и две параллельно соединенные катушки 4 и 5 с индуктивностями соответственно L₁ и L₂, намотанные на замкнутом ферромагнитном (стальном) сердечнике, что обеспечивает их сильную магнитную связь. Последовательно с катушкой, имеющей значительно бóльшую индуктивность, например с катушкой 5 (L₂≫L₁), включен переменный резистор 6, регулируемый блоком управления 7. Входы блока управления соединены с выходными клеммами стабилизатора 8.

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

На схеме (фиг.3) обозначено: L₁ и L₂ - индуктивности первой и второй катушек с коэффициентом связи К_св≈1, r₁ и r₂ - активные (омические) сопротивления катушек, R - активное (омическое) сопротивление переменного резистора, - комплексное значение входного напряжения; и - комплексные значения токов в соответствующих ветвях.

Для данной схемы справедливы соотношения:

где

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

Совместное решение уравнений (1) относительно токов и дает:

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

Из (2) получаем:

Отсюда полное сопротивление регулируемого элемента записывается в виде:

Из (2) находим соотношение токов:

Из полученных соотношений вытекает следующий основной вывод:

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

Для иллюстрации сказанного на основании (4) рассчитаем соотношение

при следующих значениях параметров: ω=314 1/C, L₁=0,1 Гн, L₂=100 Гн, R=10³ Ом, r₁=r₂≈0.

В результате получим:

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

С целью оценки эффективности регулирования модуля полного сопротивления регулируемого элемента стабилизатора за счет изменения активного сопротивления R слаботочной цепи на ПЭВМ рассчитаны графики зависимости для согласного (1) и встречного (2) включения катушек при r₁=0,1 Ом, r₂=5 Ом, L₁=0,1 Гн, L₂=10 Гн, ω=314 1/C (см. фиг.4). Из графиков следует, что регулирование модуля полного сопротивления цепи за счет изменения R оказывается весьма эффективным. Экспериментальные исследования подтверждают результаты теоретического анализа.

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

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

до

Для увеличения наглядности описываемого эффекта отметим, что в идеальном случае - при r₁=r₂=0 независимо от соотношения L₁ и L₂

Предлагаемый стабилизатор переменного напряжения работает следующим образом.

Вначале рассмотрим работу при номинальном напряжении на нагрузке.

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

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

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

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

Блок управления 7 может быть выполнен, например, в виде аналого-цифрового преобразователя, превращающего отклонение средневыпрямленного значения напряжения на нагрузке от номинального в цифровой двоичный код. Этим кодом управляется цифровое сопротивление 6.

Другие варианты исполнения блока управления не рассматриваются.

Таким образом, предлагаемый стабилизатор переменного напряжения имеет следующие преимущества:

1. Примененный в нем принцип изменения сопротивления регулируемого элемента предполагает линейный режим его работы по переменному току, что обуславливает практически гармоническую форму напряжения на нагрузке.

2. Ток в регулируемой ветви выбором параметров схемы может быть сделан достаточно малым по сравнению с током нагрузки, что существенно облегчает задачу практической реализации регулируемого элемента для значительных мощностей нагрузки.

3. Регулируемая ветвь регулирующего элемента имеет в основном реактивный (индуктивный) характер, что обеспечивает незначительные потери активной мощности в этом элементе и повышение КПД стабилизатора в целом.

4. Стабилизатор имеет очень простое схемотехническое решение.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №1244645.

2. Авторское свидетельство №1458862.

3. Авторское свидетельство №1495766.

4. Авторское свидетельство №1668973.

5. Авторское свидетельство №1453379.

Стабилизатор переменного напряжения, содержащий входной повышающий трансформатор и блок управления регулирующим элементом, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, устранения искажений формы кривой выходного напряжения и повышения эксплуатационной надежности, нагрузка подключается к выходу повышающего трансформатора последовательно с двумя параллельно включенными катушками с различными индуктивностями, намотанными на одном замкнутом ферромагнитном сердечнике, причем последовательно с катушкой с большей индуктивностью включен переменный резистор, регулируемый блоком управления, вход которого подключен к выходу стабилизатора.