Стабилизатор переменного напряжения с защитой от перенапряжений и помех

Настоящее техническое решение относится к области электротехники и предназначено для стабилизации переменного напряжения, преимущественно с дискретным регулированием выходного напряжения посредством коммутации выводов обмоток трансформатора механическими контактами электромагнитных реле. Область применения - стабилизаторы переменного напряжения сети переменного тока 220 В, 50-60 Гц.
При отклонении переменного напряжения электрической сети на входе стабилизатора от номинального напряжения в стабилизаторе вырабатываются сигналы управления электромагнитными реле, контакты которых коммутируют выводы обмоток трансформатора с целью получения на выходе требуемого напряжения.
Известны устройства дискретного регулирования переменного напряжения посредством коммутации выводов обмоток трансформатора тиристорами. В частности, регулятор переменного напряжения дискретного действия, который содержит трансформатор с секционированной обмоткой, секции которой соединены последовательно между собой и с входными выводами через прямые и шунтирующие полупроводниковые ключи с устройством их управления, обеспечивающим коммутацию выводов в моменты перехода напряжения сети через нулевой уровень 1.
Недостатком такого устройства является низкая надежность в условиях перенапряжений в сети, риск выхода из строя тиристоров.
Этими же недостатками обладают и другие стабилизаторы 2, 3.
контактами электромагнитных реле 4, 5. Недостатками таких устройств является риск выхода из строя при перенапряжениях электронных схем, сваривание контактов реле. Это объясняется тем, что они выполнены без применения специальных схемотехнических решений для их защиты при больших значениях амплитуды сетевого напряжения.
Наиболее близким аналогом является стабилизатор переменного напряжения 6.
В трансформаторно-ключевом регулирующем органе, ключи которого выполнены в виде механических контактов реле, определяют моменты переход тока через ноль и результаты используют для управления электромагнитными реле.
Недостатком такого устройства, наиболее близкого к предлагаемому, является прохождение электрических помех в сети питания на выход стабилизатора, и опасность выхода стабилизатора из строя при перенапряжениях, возникающих при грозовых разрядах и иных аномальных явлениях на линиях электропередачи или подстанциях.
Задача, на решение которой направлено данное техническое решение, заключается в устранении указанных недостатков, в защите самого стабилизатора и подключаемой к нему нагрузки от перенапряжений и помех.
Технический результат, достигаемый при этом, заключается в повышении надежности стабилизатора и подключаемого к нему оборудования за счет предотвращения сбоев и выхода из строя в процессе эксплуатации.
Для этого применены следующие решения.
,////f/
источнику нестабилизированного напряжения;
выходные выводы стабилизированного напряжения для подсоединения нагрузки;
вывод для подключения заземления;
средство контроля входного напряжения;
регулирующий трансформатор, имеющий несколько обмоток;
электромагнитные реле регулирования выходного напряжения, контакты которых
подсоединены к коммутируемым выводам обмоток трансформатора;
средства коммутации цепей питания обмоток этих реле регулирования выходного
напряжения;
микропроцессорное устройство управления средствами коммутации цепей питания
обмоток упомянутых реле регулирования выходного напряжения, которое содержит
входные выводы, соединенные со средством контроля входного напряжения, и
выходные выводы, соединенные с входами упомянутых средств коммутации цепей
питания обмоток указанных реле регулирования выходного напряжения.
Признаки, отличающие данный стабилизатор от наиболее близкого к нему известного 6 по полезной модели РФ № 8847 (прототип), оледующие.
Параллельно входным выводам стабилизатора подсоединен варисторный
ограничитель напряжения;
введены два одинаковых узла защиты, образованных последовательно соединенными варисторами и разрядниками, и первые выводы каждого из этих узлов защиты соединены с выводом для подключения заземления, а вторые выводы каждого из этих узлов защиты соединены с первым и вторым входными выводами стабилизатора;
кроме того, введены: помехоподавляющий фильтр, выполненный в виде содержащего индуктивности и конденсаторы фильтра верхних частот с частотой среза выше частоты стабилизируемого переменного напряжения, и дополнительное электромагнитное реле защиты от перенапряжений с нормально разомкнутыми контактами и со средством коммутации цепи питания обмотки этого реле; при этом входные цепи регулировочного трансформатора электрически связаны с входными выводами стабилизатора через последовательно соединенные помехоподавляющий фильтр и нормально разомкнутые конта1сты электромагнитного реле защиты от перенапряжений, причем при наличии напряжения сети и при отсутствии перенапряжений эти контакты замкнуты;
д/////
при этом выводы по меньшей мере двух помехоподавляющих конденсаторов
упомянутого помехоподавляющего фильтра соединены с выводом для подключения
заземления;
а микропроцессорное устройство помимо схемы управления коммутацией питания
обмоток реле регулирования выходного напряжения, контакты которых коммутируют
выводы регулировочного трансформатора, дополнительно содержит следующие
схемы:
схему обнаружения возникновения опасного перенапряжения, характеризующегося
увеличением действующего значения входного напряжения сети до предельного
допустимого уровня;
и схему управления цепями коммутации питания обмоток реле защиты от
перенапряжений, обеспечивающую замкнутое состояние контактов этого реле и
подсоединение входа регулировочного трансформатора через упомянутый фильтр к
входным выводам стабилизатора при нормальном режиме работы стабилизатора, и
размыкание этих контактов для аварийного отключения от сети регулировочного
трансформатора при опасном перенапряжении и последующего автоматического
восстановления включенного состояния регулировочного трансформатора после
прекращения воздействия опасного перенапряжения.
На чертеже приведена электрическая схема стабилизатора.
1,2- выводы для подсоединения входного напряжения сети;
3 - вывод для подключения заземления;
4, 5 - выводы выходного напряжения стабилизатора для подсоединения нагрузки;
6- регулировочный трансформатор;
7- обмотка выходного напряжения стабилизатора;
8- коммутируемая регулировочная обмотка;
11- микропроцессорное устройство управления средствами
коммутации цепей питания обмоток всех реле;
12- средство контроля входного напряжения и формирования
нормированного сигнала;
13-датчик тока и средство формирования нормированного сигнала;
14- функциональный узел защиты от перенапряжений и помех; 15-варистор;
16, 17-разрядники; 18, 19-варисторы;
20- помехоподавляющий фильтр;
21- варистор;
22- электромагнитное реле со средствами коммутации цепей питания обмотки.
Стабилизатор переменного напряжения с защитой от перенапряжений и помех содержит 5 выводов для подсоединения к внешним электрическим цепям. Выводы 1,2- входные, предназначены для подсоединения стабилизатора к напряжению сети; вывод 3 предназначен для подключения заземления; выводы 4, 5 - выходное напряжение стабилизатора, предназначены для подсоединения нагрузки.
Регулировочный трансформатор 6 предназначен для дискретного регулирования выходного напряжения путем переключения выводов дополнительной обмотки. Обмотка 7 соединена с выходными выводами 4, 5 выходного напряжения стабилизатора. Регулировочная обмотка 8 соединена с переключающими контактами электромагнитного реле 9. Переключаемые контакты реле 9 соединены с подключенным к выводу 4 выходом стабилизатора, соединенным также с выводом обмотки 7, и с
переключаемым нормально разомкнутым контактом реле 10. Реле 9, 10 включают в себя также средства коммутации цепей питания их обмоток, например, транзисторные ключи, управляющие входы которых подсоединены к выходу микропроцессорного устройства 11, предназначенного для управления средствами коммутации цепей питания обмоток всех реле. Два входа устройства 11 соединены со средством контроля входного напряжения и формирования нормированного сигнала 12, совместимого по уровню с входом устройства 11, и соединены также с датчиком тока и средством формирования нормированного сигнала 13. Входы средств контроля напряжения и тока 12,13 через функциональный узел защиты от перенапряжений и помех 14 соединены с входом стабилизатора - выводами 1, 2.
Узел защиты от перенапряжений и помех 14 выполнен следующим образом. Варисторный ограничитель напряжения 15 подсоединен параллельно входным выводам 1, 2.
Разрядники 16, 17 и варисторы 18, 19 образуют два одинаковых узла защиты из последовательно соединенных варисторов и разрядников, и каждый из этих узлов защиты одним выводом соединен с одним из входных выводов 1, 2 стабилизатора, а вторым выводом соединен с выводом 3 для подключения заземления.
Помехоподавляющий фильтр 20 выполнен в виде содержащего индуктивности и конденсаторы фильтра верхних частот, преимущественно LC - фильтра, с частотой среза выше частоты стабилизируемого переменного напряжения, причем выводы по меньшей мере двух помехоподавляющих конденсаторов соединены с выводом 3 для подключения заземления. Кроме того, на выходе фильтра 20 подсоединен второй варисторный ограничитель напряжения 21.
Помехоподавляющий фильтр 20 соединен входом с входными выводами 1, 2 стабилизатора. Дополнительное электромагнитное реле 22 со средствами коммутации цепей питания обмотки для защиты от перенапряжений имеет нормально разомкнутые контакты, и выходные выводы контактов этого реле 22 соединены с входными цепями регулировочного трансформатора 6, а входные выводы коммутирующих контактов этого реле соединены с выходом фильтра 20.
Стабилизатор работает следующим образом.
При напряжении, поступающем на вход 1, 2 стабилизатора, не превышающем допустимого, контакты реле 22 замкнуты. Входное напряжение поступает на регулировочный трансформатор 6 и элементы контроля и управления 9-13.
Регулирование выходного напряжения осуществляется коммутацией выводов обмотки 8 контактами реле 9 после замыкания в реле 10 переключающего контакта с нормально разомкнутым контактом, и при необходимости осуществляется повышение или снижение выходного напряжения на выходе стабилизатора - выводах 4, 5.
При номинальном напряжении сети обмотка 8 трансформатора 6 не задействована, реле 9, 10 обесточены.
При отклонении напряжения сети от номинального по аналоговым сигналам со средства контроля входного напряжения 12 и средства контроля тока 13 в микропроцессорном устройстве 11 вырабатывается сигнал управления средствами коммутации цепей питания обмоток реле 9, 10. Аналого-цифровые преобразователи микропроцессорного устройства управления 11 преобразуют сигналы, пропорциональные току и напряжению в цифровую форму. В мифопроцессорном устройстве 11 программным путем определяются действующие значения тока и напряжения, результат
сравнивается с величиной соответствующей уставки, и вырабатываются сигналы управления электромагнитными реле.
Далее соответствующие реле со средствами коммутации цепей питания их обмоток переключают необходимые выводы обмоток трансформатора. В результате этого напряжение на выходных выводах 4, 5, соединенных с обмоткой 7 трансформатора 6, дискретно изменяется до необходимой величины, в пределах допустимых погрешностей. Переключающими контактами реле 9 обмотка 8 соединяется с обмоткой 6 синфазно или в противофазе, создавая на выходе пониженное или повышенное относительно входа напряжение.
При восстановлении номинального напряжения сети процесс повторяется и завершается обратным переключением контактов.
В исходном состоянии, при номинальном напряжении, через нормально замкнутые контакты реле 9, 10 напряжение на выход 4, 5 поступает со входа 1, 2 без использования обмотки 8.
При повышении входного напряжения микропроцессорным устройством 11 осуществляется регулирование выходного напряжения посредством замыкания в реле 10 переключающего контакта с нормально разомкнутым контактом, и через нормально замкнутые контакты реле 9, к обмотке 7 подключается обмотка 8. При этом ток протекает по обмоткам 7, 8, соединенным в данном случае по схеме понижающего автотрансформатора, через датчик тока в средстве формирования нормированного сигнала 13, замкнутые контакты реле 22, фильтр 20, контакты реле 10 соединены с входом 1, 2 и осуществляется снижение напряжения на выходе стабилизатора 4, 5 до допустимого уровня.
/////
При понижении входного напряжения микропроцессорным устройством 11 осуществляется регулирование выходного напряжения посредством замыкания в реле 10 переключающего контакта с нормально разомкнутым контактом, и посредством замыкания в реле 9 переключающих контактов с нормально разомкнутыми контактами, через эти контакты реле 9, к обмотке 7 подключается обмотка 8 в противоположной полярности. При этом ток протекает по обмоткам 7, 8, соединенным в данном случае по схеме понижающего автотрансформатора, и через датчик тока и средство 13 формирования нормированного сигнала, пропорционального току, замкнутые контакты реле 22, фильтр 20, контакты реле 10 с входом 1, 2. При этом напряжение на выходе стабилизатора - выводах 4,5- повышается до необходимого уровня. Сигналы датчика тока и средства формирования нормированного сигнала 13 обрабатываются микропроцессорным устройством 11, которое обеспечивает управление электромагнитными реле таким образом, что коммутация цепей контактами этих реле происходит в моменты перехода переменного тока практически через нулевое значение, без дугообразования и обгорания контактов.
Количество коммутируемых ступеней регулирования, регулировочных обмоток трансформатора и, соответственно, реле, коммутирующих выводы обмоток трансформатора, а также необходимых для этого средств коммутации цепей питания обмоток этих реле, может быть любым. Дополнительные обмотки трансформатора могут быть как изолированными, так и соединенными между собой, образуя автотрансформатор с отводами.
При значительных перенапряжениях между выводом заземления 3 и выводами 1, 2 срабатывают разрядники 16, 17 и варисторы 18, 19.
МГ
При значительных перенапряжениях непосредственно между самими выводами 1, 2 срабатывают варисторы 15, 21.
При длительном превышении действующего значения входного напряжения допустимого уровня микропроцессорное устройство 11 отключает питание обмотки реле защиты от перенапряжений 22, контакты которого размыкаются и отключают от сети регулировочный трансформатор. После прекращения воздействия опасного перенапряжения микропроцессорное устройство 11 вновь включает питание обмотки реле защиты от перенапряжений 22, контакты которого замыкаются и подключают к сети регулировочный трансформатор, автоматически восстанавливая включенное состояние регулировочного трансформатора.
Электрические помехи ослабляются помехоподавляющим фильтром 20, который ослабляет помехи с частотами выше частоты среза фильтра.
Микропроцессорное устройство 11 может иметь автономное питание или средство накопления энергии, обеспечивающее его питания при разомкнутых контактах реле 22.
Достигаемый технический результат заключается в повышении надежности стабилизатора переменного напряжения за счет снижения вероятности отказов при перенапряжениях, обусловленных следующими причинами: грозовыми разрядами, бросками напряжения на линиях электропередачи или подстанциях, электрическим транспортом и другими причинами; а также уменьшается влияние кратковременных и длительных электрических помех на работу стабилизатора и подключенной к нему нагрузки. ст ко
анное техническое решение может быть использовано в заторах переменного напряжения для аппаратуры связи, терной техники, для бытовых и промышленных установок. Источники информации. 1.Гельман М. В., Лохов С. П. Тиристорные регуляторы переменного напряжения, с. 97, рис. 39. 2.Патент РФ № 2119229, МПК6 Н02М 5/12, G05F 1/253. Способ регулирования напряжения под нагрузкой и устройство для его осуществления. 3.Патент РФ № 2133977, МПК6 G05F 1/20. Способ переключения ответвлений обмотки трансформатора и устройство для его осуществления. 4.Полезная модель № 18810, МПК7 Н02М 2/22, 5/12. Устройство для ступенчатого регулирования переменного напряжения. 5.Патент РФ № 2188496, МПК7 Н02М 5/12, G05F 1/30. Устройство для ступенчатого регулирования переменного напряжения. 6.Полезная модель № 8847, МПК6 Н02М, 5/22. Стабилизатор переменного напряжения.