СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в системах питания и распределения электрической энергии для стабилизации напряжения и коррекции коэффициента мощности.
Известен способ управления электромагнитным реле стабилизатора переменного напряжения и стабилизатор переменного напряжения для его осуществления (см. патент на изобретение РФ №2246746, М. кл. G05F 1/14, опубл. 20.02.2005). Устройство содержит средство контроля входного напряжения, содержащее датчик напряжения, средство контроля потребляемого тока, состоящее из датчика тока, реле со средством коммутации цепей питания обмоток этого реле, микропроцессорное устройство управления средствами коммутации цепей питания обмоток реле, трансформатор с выходной и коммутируемой регулировочной обмоткой.
Стабилизатор работает следующим образом.
Сигналы со средств контроля потребляемого тока и входного напряжения поступают в микропроцессорное устройство, где преобразуются в цифровые сигналы. На основании анализа этих сигналов формируются команды управления средствами коммутации цепей питания обмоток электромагнитного реле, которое переключает соответствующие выводы коммутируемой регулировочной обмотки трансформатора, изменяя коэффициент трансформации и поддерживая уровень выходного напряжения постоянным.
Рассматриваемый стабилизатор переменного напряжения производит стабилизацию уровня напряжения на выходе устройства, однако имеет низкую точность стабилизации, так как регулирование напряжения осуществляется дискретным методом и не учитываются искажения напряжения со стороны питающей сети. Кроме этого стабилизатор не корректирует коэффициент мощности, низкие значения которого приводят к низкой энергоэффективности стабилизатора. При этом устройство имеет узкий диапазон функциональных возможностей, так как не позволяет задавать различные уровни стабилизированных выходных напряжений в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок и не обеспечивает стабилизацию напряжения при изменении частоты напряжения источника электроэнергии.
Известен стабилизатор напряжения переменного тока (см. патент на полезную модель РФ №50691, М. кл. G05F 1/20, H02J 3/10, H02J 3/12, опубл. 20.01.2006). Стабилизатор содержит соединенные соответствующим образом автоматический выключатель, датчик входного напряжения, датчик выходного напряжения, датчик тока нагрузки, датчик синхроимпульсов, автотрансформатор, коммутатор, устройство управления стабилизатором, содержащее микроконтроллер, устройство отображения информации о состоянии стабилизатора.
Стабилизатор напряжения переменного тока работает следующим образом.
В номинальном режиме работы входное напряжение после включения автоматического выключателя поступает на автотрансформатор, на датчик входного напряжения и на датчик синхроимпульсов. Микроконтроллер с помощью датчика входного напряжения производит измерение величины входного напряжения и определяет отвод автотрансформатора, который необходимо подключить, чтобы напряжение на нагрузке соответствовало номинальному диапазону выходного напряжения. С помощью датчика синхроимпульсов микроконтроллер определяет момент перехода входного напряжения через ноль и подает команду на управляющий вход коммутатора. Коммутатор подключает выбранный отвод к выходной клемме. Так производится первоначальное включение стабилизатора напряжения переменного тока. Дальнейшая работа стабилизатора происходит при постоянном контроле с помощью микроконтроллера за входным и выходным напряжениями, синхроимпульсами напряжения и тока, током нагрузки с помощью соответствующих датчиков. Результаты измерений входного и выходного напряжений, мощность, потребляемая нагрузкой, и ряд других вспомогательных параметров микроконтроллер выводит на устройство отображения информации о состоянии стабилизатора. При изменении входного напряжения в номинальном диапазоне устройство управления стабилизатором подает команды на управляющие входы коммутатора, который подключает отвод автотрансформатора, обеспечивающий на нагрузке напряжение, соответствующее номинальному диапазону выходного напряжения. Переключение производится после того, как микропроцессор определит с помощью датчика тока нагрузки и датчика синхроимпульсов момент перехода тока нагрузки через ноль. Точность стабилизации определяется величиной напряжения между соседними отводами автотрансформатора. Оптимальное количество отводов определяется требуемой точностью стабилизации, номинальным диапазоном входного напряжения, номинальным диапазоном выходного напряжения и массогабаритными показателями автотрансформатора. В случае выхода величины входного напряжения за пределы рабочего диапазона, который несколько превышает номинальный диапазон, устройство управления стабилизатором отключает с помощью коммутатора все отводы автотрансформатора, участвующие в регулировании, подача выходного напряжения на нагрузку прекращается. После нормализации входного напряжения, то есть при входе величины входного напряжения в номинальный диапазон, устройство управления возобновляет работу по стабилизации выходного напряжения. Кроме того, устройство управления стабилизатором отслеживает ряд аварийных ситуаций, при наступлении которых прекращается подача выходного напряжения на клеммы. Информацию об аварийных ситуациях микроконтроллер выводит на устройство отображения информации о состоянии стабилизатора.
Данный стабилизатор напряжения переменного тока также, как и предыдущий аналог, производит стабилизацию уровня напряжения на выходе устройства, однако имеет низкую точность стабилизации, так как регулирование напряжения осуществляется дискретным методом и не учитываются искажения напряжения со стороны питающей сети. Кроме этого стабилизатор не корректирует коэффициент мощности, низкие значения которого приводят к низкой энергоэффективности стабилизатора. При этом устройство имеет узкий диапазон функциональных возможностей, так как не позволяет задавать различные уровни стабилизированных выходных напряжений в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок и не обеспечивает стабилизацию напряжения при изменении частоты напряжения источника электроэнергии.
Известен высокоточный стабилизатор напряжения переменного тока (см. патент на полезную модель РФ №80595, М. кл. G05F 1/00, опубл. 10.02.2009). Стабилизатор содержит автоматический выключатель, первый датчик напряжения (датчик входного напряжения), датчик синхроимпульсов напряжения, первый и второй трансформаторы, коммутирующее устройство, содержащее первый и второй коммутаторы, датчик синхроимпульсов тока, второй датчик напряжения (датчик выходного напряжения), датчик тока (датчик тока нагрузки), устройство управления стабилизатором, состоящее из микроконтроллера, устройство отображения информации о состоянии стабилизатора. Выход источника электроэнергии соединен со входом стабилизатора к которому подключен также вход автоматического выключателя, выход которого соединен со входом первого датчика напряжения и входом датчика синхроимпульсов напряжения, выходы которых соединены с соответствующими входами устройства управления стабилизатором, соответствующий выход которого соединен со входом устройства отображения информации о состоянии стабилизатора, другой соответствующий выход устройства управления стабилизатором подключен к соответствующему входу коммутирующего устройства, другой соответствующий вход которого соединен с выходом первого трансформатора, вход которого подключен к выходу автоматического выключателя, а также ко входам первого датчика напряжения и датчика синхроимпульсов напряжения, выход коммутирующего устройства соединен со входом датчика синхроимпульсов тока, первый выход которого соединен с соответствующим входом устройства управления стабилизатором, а второй выход датчика синхроимпульсов тока подключен к первому входу второго трансформатора, второй вход которого соединен с выходом автоматического выключателя, входом первого трансформатора, а также со входами первого датчика напряжения и датчика синхроимпульсов напряжения, выход второго трансформатора соединен со входами второго датчика напряжения и датчика тока, выход второго датчика напряжения соединен с соответствующим входом устройства управления стабилизатором, другой соответствующий вход которого соединен с первым выходом датчика тока, второй выход которого подключен к выходу стабилизатора, к которому подключена нагрузка.
Высокоточный стабилизатор напряжения переменного тока работает следующим образом.
Входное напряжение (напряжение источника электроэнергии) после включения автоматического выключателя поступает на вход второго трансформатора. Устройство управления стабилизатором при помощи микроконтроллера по сигналу с первого датчика напряжения производит измерение величины входного напряжения и определяет, какие отводы первого трансформатора (автотрансформатора) необходимо подключить, чтобы напряжение на нагрузке соответствовало номинальному диапазону выходного напряжения. Так производится первоначальное включение стабилизатора. Дальнейшая работа стабилизатора происходит следующим образом. При изменении входного напряжения в номинальном диапазоне устройство управления стабилизатором подает команды на управляющий вход коммутирующего устройства, которое переключает отводы первого трансформатора таким образом, чтобы обеспечить на вольтодобавочной обмотке второго трансформатора напряжение такой величины, которое с учетом коэффициента трансформации обеспечивает на нагрузке напряжение, соответствующее номинальному диапазону выходного напряжения в пределах допустимой погрешности. Результаты измерений входного и выходного напряжений, потребляемой мощности, и других вспомогательных параметров устройство управления стабилизатором выводит на устройство отображения информации о состоянии стабилизатора. Кроме этого, устройство управления стабилизатором отслеживает ряд аварийных ситуаций, при наступлении которых прекращается подача выходного напряжения на нагрузку. Информацию об аварийных ситуациях микроконтроллер выводит на устройство отображения информации о состоянии стабилизатора. Например, в случае выхода величины входного напряжения за пределы рабочего диапазона, который несколько превышает номинальный диапазон, устройство управления стабилизатором выдает команды в коммутирующее устройство для отключения всех отводов первого трансформатора, участвующих в регулировании, подача выходного напряжения на нагрузку прекращается. После нормализации входного напряжения, то есть при входе величины входного напряжения в рабочий диапазон, устройство управления возобновляет работу по стабилизации выходного напряжения.
Высокоточный стабилизатор напряжения переменного тока производит стабилизацию уровня напряжения на выходе устройства, однако имеет недостаточную точность стабилизации, так как регулирование напряжения осуществляется дискретным методом и не учитываются искажения напряжения со стороны питающей сети. Кроме этого стабилизатор не корректирует коэффициент мощности, низкие значения которого приводят к низкой энергоэффективности стабилизатора.
При этом устройство имеет узкий диапазон функциональных возможностей, так как не позволяет задавать различные уровни стабилизированных выходных напряжений в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок и не обеспечивает стабилизацию напряжения при изменении частоты напряжения источника электроэнергии.
Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение точности и энергоэффективности стабилизации напряжения, расширение диапазона функциональных возможностей стабилизатора.
Достижение указанного технического результата обеспечивается в предлагаемом стабилизаторе напряжения переменного тока, содержащем первый и второй датчики напряжения (ДН), автоматический выключатель (АВ), связанный с первым датчиком напряжения, трансформатор, связанный со вторым датчиком напряжения, первый датчик тока (ДТ), средства управления и отображения информации, отличающемся тем, что содержит первый, второй, третий и четвертый блоки преобразования Фурье (ПФ), блок управления и контроля (УК), частотный детектор (ЧД), блок компенсации реактивной мощности (КРМ), содержащий последовательный регулируемый колебательный LC-контур, второй, третий и четвертый ДТ, блок амплитудно-фазового детектирования (АФД), первый и второй блоки снижения мощности искажения (СМИ), содержащие (n-1) последовательных регулируемых колебательных LC-контуров каждый, где n - число гармоник анализируемого спектра, первый и второй блоки амплитудного детектирования (АД), блок регулирования напряжения (РН), содержащий последовательный регулируемый колебательный LC-контур, третий ДН, при этом вход первого ДТ подключен к выходу источника электроэнергии, который является также входом стабилизатора напряжения переменного тока, а первый выход первого ДТ подключен к первому входу первого блока ПФ, выход которого соединен с первым входом блока УК, первый выход которого соединен со вторым входом первого блока ПФ, второй выход первого ДТ связан со входом первого ДН, выход которого соединен со входом ЧД и первым входом второго блока ПФ, второй вход которого соединен со вторым выходом блока УК, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом ЧД и выходом второго блока ПФ, второй выход первого ДТ связан также с первым входом АВ, второй вход которого соединен с третьим выходом блока УК, четвертый выход которого соединен с первым входом блока КРМ, второй вход которого связан с выходом АВ и со входом второго ДТ, первый выход которого связан с первым входом блока АФД, второй вход которого связан с пятым выходом блока УК, а выход блока АФД связан с четвертым входом блока УК, шестой выход которого соединен с первым входом первого блока СМИ, второй вход которого соединен со вторым выходом второго ДТ и со входом третьего ДТ, первый выход которого связан с первым входом третьего блока ПФ, второй вход которого соединен с седьмым выходом блока УК, а выход третьего блока ПФ соединен с пятым входом блока УК, второй выход третьего ДТ связан со входом трансформатора, первый выход которого соединен с первым входом второго ДН, второй вход которого связан со вторым выходом третьего ДТ, а выход второго ДН соединен с первым входом первого блока АД, второй вход которого соединен с восьмым выходом блока УК, а выход первого блока АД соединен с шестым входом блока УК, девятый выход которого связан с первым входом блока РН, второй и третий входы которого соединены соответственно со вторым и первым входами второго ДН, а также со входом и первым выходом трансформатора, второй выход которого связан со входом четвертого ДТ, первый выход которого соединен с первым входом второго блока АД, второй вход которого связан с десятым выходом блока УК, а выход второго блока АД соединен с седьмым входом блока УК, восьмой вход которого соединен с выходом третьего ДН и с первым входом четвертого блока ПФ, второй вход которого соединен с одиннадцатым выходом блока УК, а выход четвертого блока ПФ связан с девятым входом блока УК, двенадцатый выход которого соединен с первым входом второго блока СМИ, второй вход которого подключен ко второму выходу четвертого ДТ, ко входу третьего ДН и к выходу стабилизатора напряжения переменного тока, к которому подключена нагрузка.
При этом колебательные контуры блока КРМ и блока РН могут содержать нерегулируемую емкость, выполненную в виде конденсаторного блока, состоящего из последовательно соединенных конденсаторов, и регулируемую индуктивность, выполненную в виде реакторного блока, состоящего из управляемого подмагничиванием реактора и управляемого выпрямителя.
Кроме этого колебательные контуры блока КРМ и блока РН могут содержать нерегулируемую емкость, выполненную в виде конденсаторного блока, состоящего из параллельно соединенных конденсаторов, и регулируемую индуктивность, выполненную в виде реакторного блока, состоящего из управляемого подмагничиванием реактора и управляемого выпрямителя.
Кроме этого колебательные контуры блока КРМ и блока РН могут содержать нерегулируемую емкость, выполненную в виде конденсаторного блока, состоящего из последовательно и параллельно соединенных (смешанное соединение) конденсаторов, и регулируемую индуктивность, выполненную в виде реакторного блока, состоящего из управляемого подмагничиванием реактора и управляемого выпрямителя.
min
max
п
max
min
Кроме этого колебательные контуры блока КРМ и блока РН могут содержать нерегулируемую емкость, выполненную в виде конденсаторного блока, состоящего из последовательно соединенных конденсаторов, и регулируемую индуктивность, выполненную в виде реакторного блока, содержащего j последовательно соединенных дискретных индуктивных элементов и (j+1) управляемых коммутирующих устройств, при помощи которых можно изменять индуктивность, в диапазоне от минимальной индуктивности L до максимальной индуктивности L, при этом j равно количеству разрядов коэффициента перекрытия k диапазона изменения индуктивностей соответствующих блоков, равного отношению L к L и выраженного в двоичной системе счисления.
min
max
п
max
min
Кроме этого колебательные контуры блока КРМ и блока РН могут содержать нерегулируемую емкость, выполненную в виде конденсаторного блока, состоящего из параллельно соединенных конденсаторов, и регулируемую индуктивность, выполненную в виде реакторного блока, содержащего j последовательно соединенных дискретных индуктивных элементов и (j+1) управляемых коммутирующих устройств, при помощи которых можно изменять индуктивность, в диапазоне от минимальной индуктивности L до максимальной индуктивности L, при этом j равно количеству разрядов коэффициента перекрытия k диапазона изменения индуктивностей соответствующих блоков, равного отношению L к L и выраженного в двоичной системе счисления.
min
max
п
max
min
Кроме этого колебательные контуры блока КРМ и блока РН могут содержать нерегулируемую емкость, выполненную в виде конденсаторного блока, состоящего из последовательно и параллельно соединенных (смешанное соединение) конденсаторов, и регулируемую индуктивность, выполненную в виде реакторного блока, содержащего j последовательно соединенных дискретных индуктивных элементов и (j+1) управляемых коммутирующих устройств, при помощи которых можно изменять индуктивность, в диапазоне от минимальной индуктивности L до максимальной индуктивности L, при этом j равно количеству разрядов коэффициента перекрытия k диапазона изменения индуктивностей соответствующих блоков, равного отношению L к L и выраженного в двоичной системе счисления.
Первый и второй блоки СМИ, состоящие из (n-1) последовательных регулируемых колебательных LC-контуров каждый, где n - число гармоник анализируемого спектра, могут быть выполнены таким образом, что каждый из (n-1) последовательных регулируемых колебательных LC-контуров содержит нерегулируемую емкость, реализованную в виде конденсаторного блока, состоящего из последовательно соединенных конденсаторов, и регулируемую индуктивность, реализованную в виде реакторного блока, состоящего из управляемого подмагничиванием реактора и управляемого выпрямителя.
Кроме того, первый и второй блоки СМИ состоящие из (n-1) последовательных регулируемых колебательных LC-контуров каждый, где n-число гармоник анализируемого спектра, могут быть выполнены таким образом, что каждый из последовательных колебательных LC-контуров содержит нерегулируемую емкость, реализованную в виде конденсаторного блока, состоящего из параллельно соединенных конденсаторов, и регулируемую индуктивность, реализованную в виде реакторного блока, состоящего из управляемого подмагничиванием реактора и управляемого выпрямителя.
Кроме того, первый и второй блоки СМИ состоящие из (n-1) последовательных регулируемых колебательных LC-контуров каждый, где n - число гармоник анализируемого спектра, могут быть выполнены таким образом, что каждый из последовательных колебательных LC-контуров содержит нерегулируемую емкость, реализованную в виде конденсаторного блока, состоящего из последовательно и параллельно соединенных (смешанное соединение) конденсаторов, и регулируемую индуктивность, реализованную в виде реакторного блока, состоящего из управляемого подмагничиванием реактора и управляемого выпрямителя.
min
max
п
max
K
min
Кроме того, первый и второй блоки СМИ состоящие из (n-1) последовательных регулируемых колебательных LC-контуров каждый, где n - число гармоник анализируемого спектра, могут быть выполнены таким образом, что каждый из последовательных колебательных LC-контуров содержит нерегулируемую емкость, реализованную в виде конденсаторного блока, состоящего из последовательно соединенных конденсаторов, и регулируемую индуктивность, реализованную в виде реакторного блока, содержащего j последовательно соединенных дискретных индуктивных элементов и (j+1) управляемых коммутирующих устройств, при помощи которых можно изменять индуктивность, в диапазоне от минимальной индуктивности L до максимальной индуктивности L, при этом j равно количеству разрядов коэффициента перекрытия k диапазона изменения индуктивностей соответствующих блоков, равного отношению L L и выраженного в двоичной системе счисления.
min
max
п
max
min
Кроме того, первый и второй блоки СМИ состоящие из (n-1) последовательных регулируемых колебательных LC-контуров каждый, где n - число гармоник анализируемого спектра, могут быть выполнены таким образом, что каждый из последовательных колебательных LC-контуров содержит нерегулируемую емкость, реализованную в виде конденсаторного блока, состоящего из параллельно соединенных конденсаторов, и регулируемую индуктивность, реализованную в виде реакторного блока, содержащего j последовательно соединенных дискретных индуктивных элементов и (j+1) управляемых коммутирующих устройств, при помощи которых можно изменять индуктивность, в диапазоне от минимальной индуктивности L до максимальной индуктивности L, при этом j равно количеству разрядов коэффициента перекрытия k диапазона изменения индуктивностей соответствующих блоков, равного отношению L к L и выраженного в двоичной системе счисления.
min
max
п
max
min
Кроме того, первый и второй блоки СМИ состоящие из (n-1) последовательных регулируемых колебательных LC-контуров каждый, где n - число гармоник анализируемого спектра, могут быть выполнены таким образом, что каждый из последовательных колебательных LC-контуров содержит нерегулируемую емкость, реализованную в виде конденсаторного блока, состоящего из последовательно и параллельно соединенных (смешанное соединение) конденсаторов, и регулируемую индуктивность, реализованную в виде реакторного блока, содержащего j последовательно соединенных дискретных индуктивных элементов и (j+1) управляемых коммутирующих устройств, при помощи которых можно изменять индуктивность, в диапазоне от минимальной индуктивности L до максимальной индуктивности L, при этом j равно количеству разрядов коэффициента перекрытия k диапазона изменения индуктивностей соответствующих блоков, равного отношению L к L и выраженного в двоичной системе счисления.
Введенные в предлагаемый стабилизатор напряжения переменного тока блок КРМ, первый и второй блоки СМИ, совместно с введенными вторым и третьим ДТ, блоком АФД, первым, вторым и третьим блоками ПФ, блоком УК, а также совместно с первым ДТ и первым ДН позволяют повысить энергоэффективность и точность стабилизации напряжения за счет компенсации реактивной мощности и снижения мощности искажения.
Введенные в предлагаемый стабилизатор блок РН и второй блок СМИ, совместно с введенными вторым и третьим ДН, четвертым ДТ, первым и вторым блоками АД, четвертым блоком ПФ и блоком УК позволяет осуществлять плавное регулирование напряжения, что также повышает точность стабилизации напряжения.
Введенный в предлагаемый стабилизатор блок УК позволяет задавать различные уровни стабилизированных выходных напряжений в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок и таким образом расширить диапазон функциональных возможностей устройства. Кроме этого блок УК осуществляет цифровую обработку и контроль поступающей информации, выдает команды управления блоками, отслеживает ряд аварийных ситуаций, при наступлении которых прекращается подача выходного напряжения на нагрузку, отображает информацию о физических характеристиках сигналов (амплитудных и фазовых спектрах напряжений и токов, частоте, коэффициенте гармоник токов и напряжений, уровне потребления активной, реактивной и полной мощностей, коэффициенте мощности и т.д.) в удобной для зрительного восприятия форме.
Введенный в предлагаемый стабилизатор ЧД определяет текущее значение круговой частоты первой гармоники входного напряжения, которое учитывается в блоке УК при управлении процессами стабилизации напряжения, компенсации реактивной мощности и снижения мощности искажения. Это позволяет обеспечить стабилизацию напряжения при изменении частоты напряжения источника электроэнергии, что также расширяет диапазон функциональных возможностей.
В свою очередь введенные датчики тока (ДТ) и датчики напряжения (ДН) позволяют выделить сигналы, характеризующие мгновенные значения токов и напряжений, произвести оцифровку для дальнейшей обработки этих сигналов, с целью контроля и управления блоками устройства при помощи блока УК.
Введенный блок АФД получает информацию об амплитуде и начальной фазе первой гармоники тока, протекающего через второй ДТ, для дальнейшего использования данной информации в процессе управления блоком КРМ, который компенсирует реактивную мощность, увеличивая коэффициент мощности и повышая тем самым энергоэффективность стабилизации напряжения. Управление блоком КРМ осуществляется при помощи блока УК.
Первый блок СМИ позволяет повысить точность стабилизации напряжения за счет снижения мощности искажения на входе устройства, что позволяет также повысить энергоэффективность стабилизации напряжения. При этом управление первым блоком СМИ осуществляется при помощи блока УК.
Блоки ПФ вычисляют амплитудные и фазовые спектры входного и выходного напряжений, а также амплитудные и фазовые спектры токов, протекающих через соответствующие датчики тока, для контроля и управления в процессе стабилизации напряжения, компенсации реактивной мощности и снижения мощности искажения, а также для отслеживания аварийных ситуаций и отображения физических характеристик сигналов при помощи блока УК.
Блоки АД введены в предлагаемое устройство для получения информации об амплитудах сигналов, поступающих с соответствующих датчиков напряжения и дальнейшего использования полученной информации в процессе управления блоком РН, который при помощи блока УК регулирует уровень выходного напряжения.
Блок РН регулирует уровень выходного напряжения за счет изменения собственной проводимости, значение которой может изменяться плавно, что повышает точность стабилизации, в то же время, благодаря блокам АД, третьему датчику напряжения и блоку УК, блок РН позволяет мгновенно реагировать на скачкообразные изменения напряжения, что обеспечивает быструю стабилизацию напряжения на нагрузке.
Второй блок СМИ введен для снижения мощности искажения на выходе устройства при мгновенном реагировании блока РН на скачкообразные изменения напряжения на входе, а также в случае искажений напряжения на выходе стабилизатора. Это повышает точность стабилизации напряжения. Управление вторым блоком СМИ осуществляется при помощи блока УК.
Таким образом, введенные в предлагаемый стабилизатор блоки позволяют получить указанный выше технический результат.
Структурная схема стабилизатора напряжения переменного тока приведена на чертеже, согласно которому выход источника 1 электроэнергии соединен со входом стабилизатора 2 напряжения переменного тока, которым является вход первого ДТ 3, первый выход которого подключен к первому входу первого блока 4 ПФ, выход которого соединен с первым входом блока 5 УК, первый выход которого соединен со вторым входом первого блока 4 ПФ, второй выход первого ДТ 3 связан со входом первого ДН 6, выход которого соединен со входом ЧД 7 и первым входом второго блока 8 ПФ, второй вход которого соединен со вторым выходом блока 5 УК, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом ЧД 7 и выходом второго блока 8 ПФ, второй выход первого ДТ 3 связан также с первым входом АВ 9, второй вход которого соединен с третьим выходом блока 5 УК, четвертый выход которого соединен с первым входом блока 10 КРМ, второй вход которого связан с выходом АВ 9 и со входом второго ДТ 11, первый выход которого связан с первым входом блока 12 АФД, второй вход которого связан с пятым выходом блока 5 УК, а выход блока 12 АФД связан с четвертым входом блока 5 УК, шестой выход которого соединен с первым входом первого блока 13 СМИ, второй вход которого соединен со вторым выходом второго ДТ 11 и со входом третьего ДТ 14, первый выход которого связан с первым входом третьего блока 15 ПФ, второй вход которого соединен с седьмым выходом блока 5 УК, а выход третьего блока 15 ПФ соединен с пятым входом блока 5 УК, второй выход третьего ДТ 14 связан со входом трансформатора 16, первый выход которого соединен с первым входом второго ДН 17, второй вход которого связан со вторым выходом третьего ДТ 14, а выход второго ДН 17 соединен с первым входом первого блока 18 АД, второй вход которого соединен с восьмым выходом блока 5 УК, а выход первого блока 18 АД соединен с шестым входом блока 5 УК, девятый выход которого связан с первым входом блока 19 РН, второй и третий входы которого соединены соответственно со вторым и первым входами второго ДН 17, а также со входом и первым выходом трансформатора 16, второй выход которого связан со входом четвертого ДТ 20, первый выход которого соединен с первым входом второго блока 21 АД, второй вход которого связан с десятым выходом блока 5 УК, а выход второго блока 21 АД соединен с седьмым входом блока 5 УК, восьмой вход которого соединен с выходом третьего ДН 22 и с первым входом четвертого блока 23 ПФ, второй вход которого соединен с одиннадцатым выходом блока 5 УК, а выход четвертого блока 23 ПФ связан с девятым входом блока 5 УК, двенадцатый выход которого соединен с первым входом второго блока 24 СМИ, второй вход которого одновременно подключен ко второму выходу четвертого ДТ 20, ко входу третьего ДН 22 и к выходу стабилизатора 2 напряжения переменного тока, к которому подключена нагрузка 25.
Стабилизатор напряжения переменного тока работает следующим образом.
Блок 5 УК задает эталонное значение амплитуды первой гармоники выходного напряжения стабилизатора 2 напряжения переменного тока, после чего напряжение с выхода источника 1 электроэнергии подается на вход стабилизатора 2. Первый ДН 6 получает информацию о мгновенном значении входного напряжения и направляет ее в ЧД 7, где вычисляется текущее значение круговой частоты первой гармоники входного напряжения. Информация о текущем значением круговой частоты поступает в блок 5 УК. Блок 5 УК, получив соответствующую информацию, выдает сигналы управления в первый 4, второй 8, третий 15 и четвертый 23 блоки ПФ, в блок 12 АФД, а также в первый 18 и второй 21 блоки АД для настройки и согласования эталонных характеристик указанных блоков устройства по частоте. Такая настройка и согласование эталонных характеристик по частоте, которые происходят всегда в процессе работы, обеспечивают, в отличие от прототипа, стабилизацию выходного напряжения при изменении частоты напряжения источника 1 электроэнергии. При этом эталонные частотные характеристики первого блока 4 ПФ согласуются с частотой напряжения источника 1 электроэнергии, для корректного вычисления амплитудного и фазового спектров сигнала, поступающего с первого ДТ 3. Эталонные частотные характеристики второго блока 8 ПФ согласуются с частотой напряжения источника 1 электроэнергии, для корректного вычисления амплитудного и фазового спектров сигнала, поступающего с первого ДН 6. Эталонные частотные характеристики блока 12 АФД согласуются с частотой напряжения источника 1 электроэнергии, для корректного вычисления амплитуды и начальной фазы сигнала, поступающего со второго ДТ 11. Эталонные частотные характеристики третьего блока 15 ПФ согласуются с частотой напряжения источника 1 электроэнергии, для корректного вычисления амплитудного и фазового спектров сигнала, поступающего с третьего ДТ 14. Эталонные частотные характеристики первого блока 18 АД согласуются с частотой напряжения источника 1 электроэнергии, для корректного вычисления амплитуды первой гармоники сигнала, поступающего со второго ДН 17. Эталонные частотные характеристики второго блока 21 АД согласуются с частотой напряжения источника 1 электроэнергии, для корректного вычисления амплитуды первой гармоники сигнала, поступающего с четвертого ДТ 20. Эталонные частотные характеристики четвертого блока 23 ПФ согласуются с частотой напряжения источника 1 электроэнергии, для корректного вычисления амплитудного и фазового спектров сигнала, поступающего с третьего ДН 22.
После настройки и согласования блоков 4, 8, 12, 15, 18, 21 и 23, блок 5 УК, при помощи второго блока 8 ПФ, который вычисляет амплитудный и фазовый спектры напряжения, сравнивает значение амплитуды первой гармоники входного напряжения с граничными значениями амплитуд рабочего диапазона напряжений стабилизатора 2, которые задаются при проектировании устройства. Если значение амплитуды входного напряжения соответствует рабочему диапазону напряжений стабилизатора 2, блок 5 УК выдает команду управления на замыкание АВ 9. Происходит плавный пуск, подача напряжения на вход трансформатора 16, на вход блока РН 19 и далее на нагрузку 25 с одновременной стабилизацией напряжения за счет регулирования проводимости блока 19 РН при помощи блока 5 УК. Регулирование проводимости блока 19 РН и регулирование выходного напряжения при помощи блока 5 УК происходит следующим образом. Используя информацию о заданном эталонном значении амплитуды первой гармоники выходного напряжения, с учетом информации поступающей с первого 18 и второго 21 блоков АД, четвертого 23 блока ПФ, третьего ДН 22, а также с ЧД 7, блок 5 УК определяет значение проводимости блока 19 РН, которое обеспечит заданный уровень напряжения на выходе стабилизатора 2. Контролируя текущую проводимость блока 19 РН, при помощи информации, поступающей в блок 5 УК с первого 18 и второго 21 блоков АД, а также с ЧД 7, блок 5 УК формирует и выдает команды управления в блок 19 РН для регулирования и установки необходимого значения проводимости блока 19 РН путем регулирования индуктивности, содержащейся в блоке 19 РН. При увеличении напряжения на входе стабилизатора 2 проводимость блока 19 РН уменьшается, а при уменьшении напряжения на входе стабилизатора 2 проводимость блока 19 РН увеличивается, таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора 2 оставалось равным заданному в блоке 5 УК эталонному значению напряжения. Так как введенный блок 5 УК позволяет задавать различные уровни стабилизированных выходных напряжений в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок 25, а введенный ЧД обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении частоты напряжения источника 1 электроэнергии, то предлагаемый стабилизатор 2 имеет расширенный диапазон функциональных возможностей по сравнению с прототипом.
Для повышения точности и энергоэффективности стабилизации напряжения, стабилизатор 2 содержит первый 13 и второй 24 блоки СМИ, содержащие (n-1) последовательных регулируемых колебательных LC-контуров каждый. При этом каждый из (n-1) регулируемых колебательных LC-контуров является узкополосным фильтром для соответствующей высшей гармоники тока и напряжения. При помощи блока 5 УК, который получает информацию о частоте входного напряжения от ЧД 7, первый 13 и второй 24 блоки СМИ, вне зависимости от частоты входного напряжения, всегда настраиваются на частоты кратные основной частоте первой гармоники напряжения источника 1 электроэнергии, что обеспечивает повышение точности и энергоэффективности стабилизации напряжения, за счет снижения мощности искажения, как на входе, так и на выходе стабилизатора 2.
Кроме этого блок 5 УК осуществляет регулирование и контроль ширины спектра входного тока и напряжения, а также выходного напряжения по сигналам, поступающим в блок 5 УК с первого 4, второго 8, третьего 15 и четвертого 23 блоков ПФ. При этом блок 5 УК выдает команды соответственно в первый 13 или во второй 24 блоки СМИ для подключения LC-контуров необходимых для фильтрации соответствующих гармоник спектра или для отключения колебательных LC-контуров не участвующих в фильтрации. Это позволяет снизить мощность активных потерь в блоках 13 и 24 СМИ, обусловленных конечной добротностью колебательных контуров не участвующих в фильтрации.
Кроме этого для повышения энергоэффективности стабилизации напряжения, стабилизатор 2 содержит также блок 10 КРМ, состоящий из последовательного регулируемого колебательного LC-контура, который регулируется при помощи блока 5 УК и компенсирует реактивную мощность. Получая информацию из блока 12 АФД, второго блока 8 ПФ и ЧД 7, блок 5 УК определяет характер реактивной мощности (индуктивный или емкостный), потребляемой от источника 1 электроэнергии, рассчитывает значение проводимости блока 10 КРМ, необходимое для компенсации реактивной мощности и формирует команды управления блоком 10 КРМ. За счет последовательного регулируемого колебательного LC-контура, содержащегося в блоке 10 КРМ, проводимость блока 10 КРМ может варьироваться и иметь как индуктивный, так и емкостный характер, что обеспечивает компенсацию реактивной мощности во всем диапазоне ее изменения. Таким образом, стабилизатор 2 позволяет повысить коэффициент мощности, снизить потребление неактивной составляющей мощности от источника 1 электроэнергии, и тем самым обеспечить повышение энергоэффективности и точности стабилизации напряжения.
Кроме этого, стабилизатор 2 напряжения переменного тока отслеживает ряд аварийных ситуаций, при наступлении которых прекращается подача выходного напряжения на нагрузку 25. Информация об аварийных ситуациях отображается при помощи блока 5 УК. Например, в случае выхода величины входного напряжения за пределы рабочего диапазона, блок 5 УК выдает команду для размыкания АВ 9, подача выходного напряжения на нагрузку 25 прекращается. После нормализации входного напряжения, то есть при входе величины входного напряжения в рабочий диапазон, блок 5 УК выдает команду на замыкание АВ 9, работа по стабилизации выходного напряжения возобновляется. Стабилизатор 2 напряжения переменного тока при помощи блока 5 УК, отображает также информацию о физических характеристиках сигналов (амплитудных и фазовых спектрах напряжений и токов, частоте, коэффициенте гармоник токов и напряжений, уровне потребления активной, реактивной и полной мощностей, коэффициенте мощности и т.д.) в удобной для зрительного восприятия форме.
Как видим, предлагаемый стабилизатор 2 по сравнению с прототипом имеет повышенные точность и энергоэффективность стабилизации напряжения, а также имеет более широкий диапазон функциональных возможностей.
Таким образом, использование предлагаемого устройства позволяет получить необходимый технический результат.
Рассмотрим пример выполнения блоков стабилизатора 2 напряжения переменного тока.
В качестве датчиков 3, 11, 14, 20 тока и датчиков 6, 17, 22 напряжения могут быть использованы датчики тока серий CSDA, CSDB, CSDD с цифровым выходом и датчики напряжения серии LV с цифровым выходом фирмы «Honeywell».
Блоки 4, 8, 15, 23 ПФ, блок 12 АФД, ЧД 7, блоки 18, 21 АД могут быть выполнены на ПЛИС (FPGA) EP2C20...50 фирмы «Альтера».
Блок 5 УК может быть выполнен на базе мобильного промышленного компьютера, например Bit-RPC-1522D-MIL фирмы «Фарпоинт».
АВ 9 может быть выполнен в виде управляемого контактора или коммутирующего устройства серии КМИ или КТИ фирмы «Iek». Кроме этого АВ 9 может быть выполнен на базе софт-стартера серии ДМС компании «Веспер».
В качестве трансформатора 16, в зависимости от рабочего диапазона напряжений, диапазона регулирования выходного напряжения, а также мощности нагрузки 25, которые задаются при проектировании, могут быть использованы трансформаторы типа ТМ, ТМГ, ТМЗ, ТС, ТСЗ, ТСЗП, ТСЗПУ, ТСП, ТСПУ, производства «Электротехнического завода НВА им. 60-летия ВЛКСМ».
Первый 13 и второй 24 блоки СМИ, могут состоять из последовательных регулируемых колебательных LC-контуров, при этом каждый из последовательных колебательных LC-контуров содержит нерегулируемую емкость, выполненную в виде конденсаторного блока, состоящего из конденсаторов на основе полипропиленовых пленок со свойствами самовосстановления после пробоя, серий Е5х или Е6x фирмы «Electronicon Kondensatoren» и регулируемую индуктивность, выполненную в виде реакторного блока, состоящего из управляемого подмагничиванием реактора типа РУОМ, РТУ или РУОДЦ ОАО «Запорожтрансформатор» и управляемого выпрямителя с цифровым управлением серии Gamatronic 1U DC + компании «MAS Elektronik AG».
Кроме того первый 13 и второй 24 блоки СМИ могут состоять из последовательных регулируемых колебательных LC-контуров каждый, при этом каждый из последовательных колебательных LC-контуров содержит нерегулируемую емкость, выполненную в виде конденсаторного блока, состоящего из конденсаторов на основе полипропиленовых пленок со свойствами самовосстановления после пробоя, серий Е5х или Е6х фирмы «Electronicon Kondensatoren» и регулируемую индуктивность, выполненную в виде реакторного блока, содержащего дискретные индуктивные элементы на базе сухих токоограничивающих реакторов с воздушным охлаждением, например (РТСТ 10(6)-400-0,35 УЗ…РТСТ 10(6)-1600-0,56 УЗ или РТСТГ 10(6)-2500-0,14 УЗ…РТСТГ 10(6)-4000-0,45 УЗ) компании «Росэнерготранс» и управляемые коммутирующие устройства на базе управляемых контакторов серий 920, 918 или 911 компании «ASCO Power Technologies».
Блок 10 КРМ и блок 19 РН, состоящие из последовательного регулируемого колебательного LC-контура каждый, могут содержать нерегулируемую емкость, выполненную в виде конденсаторного блока, состоящего из конденсаторов на основе полипропиленовых пленок со свойствами самовосстановления после пробоя, серий Е5х или Е6x фирмы «Electronicon Kondensatoren», и регулируемую индуктивность, выполненную в виде реакторного блока, состоящего из управляемого подмагничиванием реактора типа РУОМ, РТУ или РУОДЦ ОАО «Запорожтрансформатор» и управляемого выпрямителя с цифровым управлением серии Gamatronic 1U DC + компании «MAS Elektronik AG».
Кроме того, блок 10 КРМ и блок 19 РН, состоящие из последовательного регулируемого колебательного LC-контура каждый, могут содержать нерегулируемую емкость, выполненную в виде конденсаторного блока, состоящего из конденсаторов на основе полипропиленовых пленок со свойствами самовосстановления после пробоя, серий Е5х или Е6x фирмы «Electronicon Kondensatoren», и регулируемую индуктивность, выполненную в виде реакторного блока, содержащего дискретные индуктивные элементы на базе сухих токоограничивающих реакторов с воздушным охлаждением, например (РТСТ 10(6)-400-0,35 УЗ…РТСТ 10(6)-1600-0,56 УЗ или РТСТГ 10(6)-2500-0,14 УЗ…РТСТГ 10(6)-4000-0,45 УЗ) компании «Росэнерготранс» и управляемые коммутирующие устройства на базе управляемых контакторов серий 920, 918 или 911 компании «ASCO Power Technologies».