НОРМАЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
AC VOLTAGE NORMALIZER

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для поддержания переменного напряжения в заданных пределах.
Известны технические решения в виде регулирующих устройств, устанавливаемых между источником переменного напряжения и нагрузкой.
Например, известен нормализатор переменного напряжения патент РФ №2529195, МПК Н02М 5/12, опубл. 27.09.2014), содержащий трехфазный трехстержневой трансформатор, обмотки которого соединены встречно в зигзаг. Свободные выводы первых обмоток подключены к входным зажимам, а свободные выводы вторых обмоток соединяются в одну общую нулевую точку для подключения однофазных нагрузок. В две фазы обмоток трехстержневого трансформатора введены вольтодобавочные обмотки, обеспечивающие повышение или понижение напряжения питающей сети соответствующих фаз и выводы которых соединены с автоматическим переключателем фаз. Автоматический переключатель фаз соединен также с входным выводом первичной обмотки третьей фазы, а также с нулевым выводом первичных обмоток, включенных в зигзаг и выходными зажимами нормализатора.
Отличие нормализатора напряжения от стабилизатора напряжения состоит в поддержании на выходе устройства не фиксированного напряжения, а напряжения в диапазоне, заданном, например, ГОСТ Ρ 54149-2010, что обеспечивает нормальную работу подавляющего числа потребителей электрической энергии.
Нормализатор по патенту РФ №2529195 обеспечивает нормализацию однофазного напряжения путем автоматического переключения на напряжение той фазы симметрирующего трансформатора, на выходе которой это напряжение соответствует норме. Недостатком данной схемы является требование наличия трех входных питающих фаз для получения однофазного нормализированного напряжения на выходе.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство нормализации переменного напряжения (патент РФ №2346318, МПК G05F 1/30, опубл. 10.02.2009), содержащее входные и выходные клеммы, датчик входного напряжения сети, трансформатор, первичная обмотка которого включена в первую диагональ мостовой схемы из четырех нормально открытых управляемых ключей переменного тока, вторичная обмотка трансформатора включена последовательно в цепь нагрузки, а параллельно вторичной обмотке трансформатора включен управляемый ключ переменного тока. Управление управляющими ключами переменного тока осуществляется трехпозиционным компаратором. В цепи выходных управляющих сигналов «больше» и «меньше» трехпозиционного компаратора введены элементы задержки, обеспечивающие синхронизацию включения первичной обмотки трансформатора и шунтирование вторичной обмотки, а к входам «верхнее напряжение» и «нижнее напряжение» трехпозиционного компаратора подключены задатчики верхнего и нижнего напряжения соответственно.
Недостатком устройства по патенту №2346318 является возникновение скачков напряжения и тока в моменты коммутации, что снижает надежность работы устройства. Также ключ, параллельный вторичной обмотке трансформатора, должен быть рассчитан на ток, равный току нагрузки, что также снижает надежность.
Задача (технический результат) предлагаемого изобретения заключается в повышении надежности работы устройства при обеспечении заданных параметров регулирования.
Поставленная задача решается тем, что нормализатор переменного напряжения содержит входные и выходные клеммы, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, последняя подключена первым выводом к первой входной клемме, а вторым выводом к первой выходной клемме, четыре коммутатора, соединенных по мостовой схеме, в первую диагональ мостовой схемы включена первичная обмотка трансформатора, один из выводов второй диагонали мостовой схемы подключен к второй входной клемме, которая также подключена к второй выходной клемме. Согласно предлагаемому изобретению нормализатор снабжен блоком ограничения тока с коммутатором шунтирования, двумя блоками гистерезиса и блоком управления, второй вывод диагонали моста подключен к первой входной клемме через блок ограничения тока, параллельно которому включен коммутатор шунтирования блока ограничения тока, к входу блока управления подключены выходы блоков гистерезиса, а выходы блока управления подключены к входам управления коммутаторами.
С целью увеличения диапазона нормализации входного напряжения целесообразно снабдить нормализатор, по меньшей мере, одной дополнительной первичной обмоткой, соединенной одним выводом с другой первичной обмоткой, а другим выводом через два коммутатора с входными клеммами.
Для повышения временного ресурса работы устройства целесообразно снабдить нормализатор блоком тактирования, подключенным к входу блока управления, благодаря которому можно снизить частоту переключений коммутаторов.
Для исключения наложения пусковых токов в случае параллельной работы нескольких нормализаторов целесообразно снабдить предлагаемое устройство блоком задержки, подключенным к входу блока управления.
Предлагаемое изобретение поясняется функциональной схемой устройства, которая приведена на фигуре.
Нормализатор переменного напряжения содержит входные 1 и выходные 2 клеммы, трансформатор с первичной 3 и вторичной 4 обмотками, последняя подключена первым выводом к первой входной клемме 1, а вторым выводом к первой выходной клемме 2, четыре коммутатора 5, 6, 7, 8, соединенных по мостовой схеме, в первую диагональ мостовой схемы включена первичная обмотка 3 трансформатора, один из выводов второй диагонали мостовой схемы подключен к второй входной клемме 1, которая также подключена к второй выходной клемме 2. Согласно предлагаемому изобретению нормализатор снабжен блоком ограничения тока 9 с коммутатором шунтирования 10, двумя блоками гистерезиса 11 и 12, блоком управления 13, второй вывод диагонали моста подключен к первой входной клемме 1 через блок ограничения тока 9, параллельно которому включен коммутатор 10 шунтирования блока ограничения тока, к входу блока управления подключены выходы блоков гистерезиса 11 и 12, а выходы блока управления подключены к входам управления коммутаторами 5, 6, 7, 8, 10.
Предлагаемый нормализатор работает следующим образом.
Входное напряжение через входные клеммы 1 поступает на блоки гистерезиса 11 и 12. В исходном состоянии на выходе блоков 11 и 12 логический 0. При превышении входным напряжением верхнего порога блока 11, например 223 В, на выходе блока 11 устанавливается логическая 1. При снижении входного напряжения ниже верхнего порога, и при условии, что выход блока 11 равен логической 1, а также если входное напряжение выше нижнего порога блока 11, например 220 В, выход блока 11 не изменяет своего состояния и остается равным 1. При дальнейшем снижении входного напряжения до нижнего порога напряжения блока 11 и ниже на выходе блока 11 устанавливается логический 0.
Блок гистерезиса 12 работает похожим образом. В исходном состоянии на выходе блока 12 логический 0. При снижении входного напряжения ниже нижнего порога блока 12, например 209 В, на выходе блока 12 устанавливается логическая 1. При повышении входного напряжения выше нижнего порога и при условии, что выход блока 12 равен логической 1, а также если входное напряжение ниже верхнего порога блока 12, например 212 В, выход блока 12 не изменяет своего состояния и остается равным 1. При дальнейшем повышении входного напряжения до верхнего порога напряжения блока 12 и выше на выходе блока устанавливается логический 0.
Блок управления 13 коммутаторами анализирует выходы блоков гистерезиса 11, 12 и управляет коммутаторами 5, 6, 7, 8 и 10. Первоначально считаем, что коммутаторы 5, 8 и 10 имеют нормально разомкнутые контакты, а коммутаторы 6 и 7 - нормально замкнутые.
Если выход блока гистерезиса 11 равен логической 1, а выход блока гистерезиса 12 равен 0, то система переходит в режим «ПОНИЖЕНИЕ». Для этого через заданные блоком управления промежутки времени замыкается коммутатор 5, размыкается коммутатор 6, замыкается коммутатор 10. Когда выходы блоков гистерезиса 11, 12 равны 0, это означает, что входное напряжение сети нормализовалось, и система переходит в режим «ТРАНЗИТ». Для перехода в режим «ТРАНЗИТ» через заданные блоком управления промежутки времени размыкается коммутатор 10, замыкается коммутатор 6, размыкается коммутатор 5.
Если выход блока гистерезиса 12 равен логической 1, а выход блока гистерезиса 11 равен 0, то система переходит в режим «ПОВЫШЕНИЕ». Для этого через заданные блоком управления промежутки времени замыкается коммутатор 8, размыкается коммутатор 7, замыкается коммутатор 10. Когда выходы блоков гистерезиса 11, 12 равны 0, это означает, что входное напряжение сети нормализовалось, и система переходит в режим «ТРАНЗИТ». Для перехода в режим «ТРАНЗИТ» через заданные блоком управления промежутки времени размыкается коммутатор 10, замыкается коммутатор 7, размыкается коммутатор 8.
Предлагаемая последовательность переключения коммутаторов обеспечивает непрерывность протекания токов в нормализаторе, исключая тем самым большие броски напряжения и тока, что повышает надежность работы устройства.
T
T
T
Также для управления первичной обмоткой требуются коммутационные элементы на ток приблизительно в K раз меньше, чем ток, протекающий в нагрузке. Где K - отношение значения напряжения первичной обмотки к значению напряжения вторичной обмотки. Например, K=230/13=17,7. Этот фактор начинает играть большую роль с увеличением потребляемой нагрузкой мощности. В предлагаемом нормализаторе все коммутационные элементы размещены именно со стороны первичной обмотки, что позволяет использовать более простые и надежные устройства коммутации и приводит к повышению надежности работы устройства в целом.
При снабжении нормализатора блоком тактирования 14 на выходе этого блока через определенные интервалы времени, например от 2 до 30 сек, появляются короткие разрешающие импульсы, которые поступают в блок управления 13 коммутаторами. При этом блоку управления 13 разрешено изменять свое состояние только один раз за один разрешающий импульс. Благодаря данному механизму в системе существенно снижаются коммутационные потери, которые могли возникнуть при условии нахождения входного напряжения возле границ гистерезиса. Повышается надежность и временной ресурс работы системы. Особенно это актуально, если в качестве коммутационных элементов используются электромеханические устройства, например контакторы.
Нормализатор также может быть снабжен блоком задержки 15. При включении нормализатора на выходе блока задержки 15 логический 0 и работа системы запрещена. При достижении определенного времени, например от 0 до 300 сек, на выходе блока задержки появляется логическая 1 и работа нормализатора разрешается. Это позволяет исключить наложение пусковых токов при параллельной работе нескольких нормализаторов за счет задания разных уставок времени для блоков задержки.