УСТРОЙСТВО ПЛАВНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ НАГРУЗКИ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к устройствам преобразования энергетических параметров электрической энергии и может быть использована при создании источников вторичного электропитания, например, при разработке и изготовлении устройств плавного включения нагрузки в сеть или плавного включения энергии, генерируемой в питающую сеть.
Известны различные решения схемотехники источников вторичного электропитания, например: "Импульсный стабилизатор постоянного напряжения" (а СССР №851370, МПК-3 G05F 1/56, H02M 3/335, - 28-81 р.); "Импульсный стабилизатор постоянного напряжения" (а СССР №1067486, МПК-3 G05F 1/56, БВ-2 10 84 р.); "Импульсный стабилизатор постоянного напряжения" (Патент Украины №54292 А, МПК-7 G05F 1/56, бюл. №2, 2003 р.); "Импульсный стабилизатор напряжения" (Патент Украины №64247 А, МПК-7 G05F 1/56, H02M 3/335, H02M 7/00, бюл. №2, 2004 р.).
Недостатком известных устройств является невозможность использования их для реализации необходимого алгоритма работы заявляемого устройства.
Известно устройство, реализующее "Способ плавного регулирования величины и фазы напряжения переменного тока" (Патент РФ №2266608, МПК-7 H02M 3/22, H02M 7/527, G05F 1/56, опубл. 10.06.2004 р.).
Суть полезной модели заключается в преобразовании напряжения переменного тока с входной частотой с помощью инвертора в последовательность биполярных импульсов, длительность которых регулируется ключами инвертора, а выходная частота импульсов значительно выше входной частоты.
Недостатком известного устройства является невозможность использования его для реализации необходимого алгоритма работы заявляемого устройства.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и выбранным в качестве прототипа является "Преобразователь переменного напряжения в постоянное" (Патент Украины №20830, МПК (2011) H02M 7/00, БВ-10-97 р.). Алгоритм работы системы управления устройством по прототипу основан на формировании отключающих сигналов при входном напряжении, меньшем заданного минимального порогового значения и поочередном исключении транзисторов при достижении напряжением заданного максимального порогового значения на входе устройства управления. Устройство управления может быть выполнено на основе широтно-импульсного модулятора с опорным напряжением пилообразной формы, при этом устройство содержит входной выпрямитель, трансформатор с вторичной обмоткой, два силовых транзисторов, выходной выпрямитель, емкостной фильтр и систему управления.
Недостатком прототипа является невозможность использования его для реализации необходимого алгоритма работы заявляемого устройства.
Задачей полезной модели является разработка новой схемотехники устройства плавного включения нагрузки с достижением технического результата - реализации заданного алгоритма работы.
Поставленная задача выполняется тем, что в "Устройстве плавного включения нагрузки", который включает входной выпрямитель, трансформатор с вторичной обмоткой, два силовых транзисторы, выходной выпрямитель, емкостной фильтр и систему управления, содержащую широтно-импульсный модулятор и генератор пилообразных импульсов, содержит формирователь импульсов управления, синхронизированных с сетью, модуль управления плавным включением симисторов и напивмостовий автогенератор, кроме того, формирователь импульсов управления, синхронизированных с сетью, включая задающий генератор прямоугольных импульсов, формирователь импульсов, при этом задающий генератор прямоугольных импульсов выполнен в виде компаратора, а формирователь импульсов содержит формирователи переднего фронта негативной и позитивной полуволны, кроме того, компаратор выполнен на операционном усилителе, а каждый из формирователей переднего фронта негативной и позитивной полуволны содержит интегратор, сумматор и интегральные логические элементы, при этом модуль управления плавным включением симисторов включает генератор пилообразных импульсов, широтно-импульсный модулятор, формирователь времени включения и отключения, выполнен в виде интегратора, усилитель мощности с выходным трансформатором, при этом генератор пилообразных импульсов выполнен в виде интегратора, а два широтно-импульсные модуляторы выполнено в виде компараторов, кроме того, усилитель мощности выполнен по двухтактной схеме, а напивмостовий автогенератор включает входной мостовой выпрямитель, трансформатор, два силовых транзисторов, выходной выпрямитель, емкостной фильтр, при этом два конденсатора образуют с двумя силовыми транзисторами напивмостову схему, а трансформатор содержит одну первичную обмотку, две обмотки управления и три вторичные обмотки, каждая из которых нагружена на выпрямительный мост и конденсаторный сглаживающий фильтр, при этом каждая из обмоток управления нагружена на диодный выпрямитель и сглаживающий конденсатор и подключена к эмиттерного перехода соответствующего силового транзистора, один из которых содержит цепь запуска автогенератора, кроме того, частота автогенератора на силовых транзисторах выбрана равной 25 кГц, а цепь запуска автогенератора выполнен в виде резистора, включенного между коллектором и базой силового транзистора.
Существенными признаками заявляемого устройства, совпадающими с прототипом, являются следующие 5 признаков:
- Входной выпрямитель;
- Трансформатор с вторичной обмоткой;
- Два силовых транзисторов;
- Выходной выпрямитель;
- емкостной фильтр;
- Система управления, содержит широтно-импульсный модулятор и генератор пилообразных импульсов.
Отличительными от прототипа существенными признаками устройства заявляется, являются следующие признаки:
- Формирователь импульсов управления, синхронизированных с сетью;
- модуль управления плавным включением симисторов;
- Напивмостовий автогенератор.
Частными отличительными от прототипа существенными признаками устройства заявляется, являются следующие признаки:
- Формирователь импульсов управления, синхронизированных с сетью, включая задающий генератор прямоугольных импульсов, формирователь импульсов, при этом задающий генератор прямоугольных импульсов выполнен в виде компаратора, а формирователь импульсов содержит формирователи переднего фронта негативной и позитивной полуволны, кроме того, компаратор выполнен на операционном усилителе, а каждый из формирователей переднего фронта негативной и позитивной полуволны содержит интегратор, сумматор и интегральные логические элементы;
- модуль управления плавным включением симисторов включает генератор пилообразных импульсов, широтно-импульсный модулятор, формирователь времени включения и отключения, выполнен в виде интегратора, усилитель мощности с выходным трансформатором, при этом генератор пилообразных импульсов выполнен в виде интегратора, а два широтно-импульсные модуляторы выполнено в виде компараторов, кроме того, усилитель мощности выполнен по двухтактной схеме;
- Напивмостовий автогенератор включает входной мостовой выпрямитель, трансформатор, два силовые транзисторы, выходной выпрямитель, емкостной фильтр, при этом два конденсатора образуют с двумя силовыми транзисторами напивмостову схему, а трансформатор содержит одну первичную обмотку, две обмотки управления и три вторичные обмотки, каждая из которых нагружена на выпрямительный мост и конденсаторный сглаживающий фильтр, при этом каждая из обмоток управления нагружена на диодный выпрямитель и сглаживающий конденсатор и подключена к эмиттерного перехода соответствующего силового транзистора, один из которых содержит цепь запуска автогенератора, кроме того, частота автогенератора на силовых транзисторах выбрана равной 25 кГц, а цепь запуска автогенератора выполнен в виде резистора, включенного между коллектором и базой силового транзистора.
Между существенными признаками полезной модели заявляемого и техническим результатом, который достигается, существует следующий причинно-следственная связь.
Действительно, новая схемотехника предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволяет значительно упростить устройство и, за счет этого, повысить надежность его работы и снизить материальные затраты при тиражировании данного устройства, а также позволяет успешно реализовать заданный алгоритм работы.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, с выявлением источников, которые содержат информацию об аналогах технического решения заявляемого позволяет установить, что заявителем не обнаружены полные аналоги, характеризующиеся всей совокупности признаков, идентичной всем существенным признакам заявленного устройства, указанных в формуле полезной модели.
Поэтому можно утверждать, что полезная модель, заявляется, соответствует условию патентоспособности по критерию "новизна".
Кроме того, данная полезная модель промышленно применима, так как техническое решение, заявляется, можно использовать при разработке и изготовлении источников вторичного электропитания с плавным включением нагрузки или с плавным включением напряжения, генерируемого в сеть.
На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема формирователя импульсов управления, синхронизированных с сетью; на фиг.2 изображена принципиальная электрическая схема модуля управления плавным включением симисторов, а на фиг. С изображена принципиальная электрическая схема напивмостового автогенератора.
Рассмотрим подробно три основных блока устройства заявляется: формирователь импульсов управления, синхронизированных с сетью; модуль управления плавным включением симисторов и 5 напивмостовий автогенератор.
Формирователь импульсов управления, синхронизированных с сетью.
Формирователь импульсов управления, синхронизированных с сетью, включая задающий генератор прямоугольных импульсов, формирователь импульсов, при этом задающий генератор прямоугольных импульсов выполнен в виде компаратора, а формирователь импульсов содержит формирователи переднего фронта негативной и позитивной полуволны.
Кроме того, компаратор выполнен на операционном усилителе, а каждый из формирователей переднего фронта негативной и позитивной полуволны содержит интегратор, сумматор и интегральные логические элементы.
Сетевое напряжение питания поступает на вход заявляемого устройства.
На элементах С1, С2, С3; VD1-VD4, VD5 собран безтрансформаторный симметричный источник питания, резисторы R3, R4 предназначены для создания искусственной средней точки источника питания.
На элементах R1, R2, VD6, VD7 собран двусторонний ограничитель сетевого напряжения.
Сетевое напряжение с выхода безтрансформаторного симметричного источника питания поступает на ограничитель уровня, выполненный на диодах VD6, VD7 и, за счет прямого падения напряжения на этих диодах, ограничивается до уровня 0,7 В.
Это напряжение - 0,7 В - подается на входы операционного усилителя DA1, включенного в режиме компаратора, который превратит напряжение 0,7 В в прямоугольную напряжение, -меандр - без сдвига фазы начального напряжения.
Компаратор на DA1 включен в инверсном режиме, поэтому его выходное напряжение инверсная по начальной (сетевого) напряжения.
Для гальванической развязки от сети схема устройства, заявляемого содержит оптрон СВТ 101 Б, при этом составной транзистор оптопары инвертирует напряжение прямоугольной формы и теперь она совпадает по фазе с синусоидальным напряжением сети переменного тока.
Для симисторов, установленных в схеме плавного включения нагрузки, оптимальным вариантном управлению углом отсечки служит управления короткими импульсами т>5 мкс и желательно, чтобы положительная полуволна - положительными импульсами и отрицательная полуволна - негативными импульсами.
На микросхемах DD1 и DD2 собраны формирователи переднего фронта негативной (DD1) и положительной полуволны (DD2).
DD1-1 формирует и инвертирует импульсы после составного транзистора оптопары, a DD2-1 инвертирует.
Выделение переднего фронта отрицательной полуволны осуществляется на DD1-2 и DD1-3, образующих схему первого одновибратора, при этом на элементах R23 и С4 собрана линия задержки, а элемент DD1-3 выполняет роль первого сумматора - сумма алгебры прямого и задержанного инверсного и есть передний фронт входного отрицательного импульса.
Выделение переднего фронта положительной полуволны осуществляется на DD2-2 и DD2-3, образующих схему второго одновибратора, при этом на элементах R23 и С4 собрана линия задержки, а элемент DD2-3 выполняет роль второго сумматора - сумма алгебры прямого и задержанного инверсного и есть передний фронт входного положительного импульса. Элементы DD1-4, 45 DD2-4 инвертирующий выделен передний фронт.Модуль управления плавным включением симисторов.
Модуль управления плавным включением симисторов содержит генератор пилообразных импульсов, широтно-импульсный модулятор, формирователь времени включения и отключения, выполненный в виде интегратора, усилитель мощности с выходным трансформатором, при этом генератор пилообразных импульсов выполнен в виде интегратора, а два широтно-импульсные модуляторы выполнено в виде компараторов.
Кроме того, усилитель мощности выполнен по двухтактной схеме. Рассмотрим работу модуля управления плавным включением симисторов,
На входы b и с модуля управления поступают импульсы, является передним фронтом входного отрицательного импульса (вход b) и передним фронтом входного положительного импульса (вход с).
Эти импульсы поступают на каскад согласования выхода логики с питанием +5 В с источником питания +12 В.
Каскад согласования выполнен на транзисторах VT1 и VT2.
Выход этого каскада согласовывает источник (12В) с источником (+12 В и -12 В) со средней точкой для обеспечения работы генератора пилообразных импульсов на DA2-1 и DA3-1, собранных по схеме интегратора.
Каскад согласования питания +12 В с источником +12 В и -12 В собран по схеме усилителя на VT3, VT4.
На операционных усилителях DA2-2, DA3-2 собранные широтно-импульсные модуляторы угла отсечки.
Операционные усилители ОА2-2, DA3-2 включены в режиме компараторов при сравнении напряжения, плавно растет с напряжением пилообразной формы, и формирует передний фронт угла отсечки.
Формирователь времени включения и отключения собранный по схеме интегратора на операционном усилителе DA4.
Если в инверсного вывода подключены 12 В через резистор R29, то на выходе операционного усилителя будет падать напряжение, время которой зависит от параметров R29 и С8, то есть от постоянной времени RC-цепи.
Передний фронт после широтно-импульсного модулятора выделяется с помощью дифференциальных цепочек С14, R33, R34 (С15, R31, R32).
Диоды VD17 и VD18 устраняют отрицательный импульс при отрицательном фронте, оставляя только положительный.
На транзисторах VT5, VT6 собран усилитель мощности для управления силовыми симистора.
Усилитель собран по двухтактной схеме с разделительным трансформатором, который обеспечивает согласование с входом симистора управляющего и обеспечивает развязку с сетью 220 В, 50 Гц.
Напивмостовий автогенератор.
Напивмостовий автогенератор включает входной выпрямитель на диодах VD9-VD12, трансформатор TV2, два силовых транзисторов VT7 и VT8, два конденсатора СЮ и С11, образующих с двумя силовыми транзисторами VT7 и VT8 напивмостову схему.
Трансформатор TV2 содержит одну первичную обмотку и, две обмотки управления II и III и три вторичные обмотки IV, V и VI, каждая из которых нагружена на выпрямительный мост (VD17-VD20, VD21-30 VD24 и VD25-VD28) и конденсаторный сглаживающий фильтр С12, С13 и С14.
Каждая из обмоток управления II и III TV2 нагружена на диодный выпрямитель (VD13.VD14 и VD15.VD16) и сглаживающий конденсатор (С12, С13) и подключена к эмиттерного перехода соответствующего силового транзистора VT7 или VT8.
Один из силовых транзисторов, например, VT7 содержит цепь запуска автогенератора.
Частота автогенератора на силовых транзисторах VT7 и VT8 выбрана равной 25 кГц.
Цепь запуска автогенератора выполнен в виде резистора R36, включенного между коллектором и базой силового транзистора VT7.
Блок питания устройства собран по схеме полумостового автогенератора с рабочей частотой 25 кГц.
Переменное напряжение 220 В 50 Гц подается на вход устройства, заявляется, и после мостового выпрямителя на диодах VD9-VD12 выпрямленное напряжение поступает на напивмостовий автогенератор, выполненный на конденсаторах СЮ и С11 и силовых транзисторах VT7 и VT8.
Через цепь запуска автогенератора, выполненного в виде резистора R36, включенного между коллектором и базой силового транзистора VT7, запускается в работу напивмостовий автогенератор, работающий на частоте 25 кГц.
Повышенная частота преобразования выбрана с целью уменьшения массогабаритных характеристик трансформатора TV2.
На выходе трансформатора TV2 есть три вторичные обмотки IV, V и VI, каждая из которых нагружена на свой выпрямительный мост и конденсаторный сглаживающий фильтр
VD17-VD20 и С12 для получения постоянного напряжения +5 В;
VD21-VD24 и С13 для получения постоянного напряжения +12 В;
VD25-VD28 и С14 для получения постоянного напряжения -12 В. Рассмотрим работу заявляемого устройства.
Напряжение 220 В 50 Гц поступает на вход устройства, непосредственно на вход формирователя импульсов управления, синхронизированных с сетью, с выхода которого импульсы, является передним фронтом входного отрицательного импульса (вход b) и передним фронтом входного положительного импульса (вход с), подают на соответствующие входы модуля управления плавным включением симисторов.
С выхода модуля управления плавным включением симисторов, именно с усилителя мощности на транзисторах VT5, VT6 собранного по двухтактной схеме с разделительным трансформатором, на силовые симисторы поступают сигналы управления, обеспечивающие развязку с сетью 220 В, 50 Гц.
Полумостовой автогенератор обеспечивает низковольтным питанием устройство, заявляется, с помощью трех питающих напряжения: 5 В;+12 В и -12 В.
Таким образом, устройство, заявляется, позволяет синхронно с частотой сети выполнить следующие технологические операции:
- Плавно подключить нагрузку на сетевое напряжение 220 В, 50 Гц;
- Плавно включить источник напряжения (например, солнечные батареи, напряжение которых превращена в сетевое напряжение 220 В, 50 Гц), генерируемого в существующую сеть питающего напряжения 220 В, 50 Гц;
- Плавно включить источник напряжения (например, аккумуляторные батареи и суперконденсаторы, напряжение которых превращена в сетевое напряжение 220 В, 50 Гц), генерируемого в существующую сеть питающего напряжения 220 В, 50 Гц.
На основании всего вышеизложенного можно сделать вывод, что задача, поставленная в настоящей полезной модели - разработка новой схемотехники устройства плавного включения нагрузки - выполнена с достижением технического результата - реализации заданного алгоритма работы для плавного включения нагрузки.