Стабилизатор переменного напряжения с защитой от повышенных напряжений

Известны устройства дискретного регулирования переменного напряжения посредством коммутации выводов обмоток трансформатора 1 - 5. В частности, регулятор переменного напряжения дискретного действия, который содержит трансформатор с секционированной обмоткой, секции которой соединены последовательно между собой и с входными выводами, и с микропроцессорным устройством их управления.
Недостатком такого устройства является низкая надежность в условиях перенапряжений в сети, риск выхода из строя как самого стабилизатора, так и подключенной на его выходе нагрузки. 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 нем на входе стабилизатора имеется размыкатель цепи питания при длительны}1с повышенных напряжениях.
Недостатком такого устройства, наиболее близкого к предлагаемому, является опасность выхода стабилизатора из строя при кратковременных перенапряжениях, во время которых электронные схемы как стабилизатора, так и нагрузки, могут выйти из строя до размыкания контактов электромеханического размыкателя.
Задача, на решение которой направлено данное техническое решение, заключается в устранении указанных недостатков, в защите самого стабилизатора и подключаемой к нему нагрузки от любых перенапряжений.
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 решения этой задачи стабилизатор выполнен следующим образом.
Стабилизатор переменного напряжения с защитой от повышенных напряжений имеет следующие известные технические решения.
Входные выводы для подсоединения стабилизатора к источнику нестабилизированного напряжения.
Выходные выводы стабилизированного напряжения для подсоединения нагрузки.
коммутируемыми выводами для регулирования выходного напряжения.
Электромагнитные реле регулирования выходного напряжения, контактные
системы которых подсоединены к коммутируемым выводам обмоток
регулировочного трансформатора.
Микропроцессорное устройство управления коммутацией цепей питания
обмоток упомянутых реле регулирования выходного напряжения,
которое содержит входные выводы, соединенные со средством контроля
входного напряжения,
и выходные выводы соединенные, с цепями управления коммутацией
питания обмоток электромагнитными реле регулирования выходного
напряжения.
Признаки, отличающие данный стабилизатор от наиболее близкого к нему известного решения 6 (прототип), следующие.
Дополнительно введены два узла защиты стабилизатора от повышенных напряжений на его входе:
узел защиты от кратковременных импульсных перенапряжений, у которых длительность одного импульса не превышает длительности полупериода питающего напряжения сети;
узел защиты от длительных повышенных напряжений, у которых действующее значение входного напряжения сети превышает установленную предельно допустимую величину.
При этом узел защиты от кратковременных импульсных перенапряжений содержит элементы ограничения напряжения, выполненные на варисторах и разрядниках.
А узел защиты от длительных повышенных напряжений содержит: электромагнитное реле защиты от длительных повышенных напряжений с нормально разомкнутыми контактами для отключения входных цепей регулировочного трансформатора от сети при недопустимых длительных повышенных напряжениях;
а также источник питания упомянутого электромагнитного реле защиты от длительных повышенных напряжений и микропроцессорного устройства управления коммутацией цепей питания обмоток реле. Этот источник питания содержит: дополнительный понижающий трансформатор, выпрямитель и стабилизатор
напряжения для питания микропроцессора и упомянутого электромагнитного
реле защиты от длительных повышенных напряжений.
Цепь питания обмотки реле защиты от длительных повышенных напряжений
соединена с выходом упомянутого микропроцессорного устройства, которое
формирует сигнал выключения этого реле при превышении действующим
значением входного напряжения сети допустимого уровня.
При этом входные выводы стабилизатора электрически связаны с входными
цепями регулировочного трансформатора стабилизатора через
последовательно соединенные узел защиты от импульсных перенапряжений
и контактную систему электромагнитного реле защиты от длительных
повышенных напряжений, превышающих допустимый уровень действующего
значения напряжения сети.
А входные цепи дополнительного понижающего трансформатора узла
защиты электрически связаны с входными выводами стабилизатора
посредством подключения к электрическим цепям, находящимся между
входными выводами стабилизатора и входом контактной системы
электромагнитного реле защиты от длительных повышенных напряжений.
При этом микропроцессорное устройство, помимо схемы управления
коммутацией питания обмоток реле, предназначенных для регулирования
выходного напряжения, содержит следующие схемы:
схему вычисления действующего значения входного напряжения сети;
схему обнаружения превышения входным напряжением сети предельно
допустимой величины действующего значения напряжения;
и схему управления выключением питания обмотки реле защиты от
длительных повышенных напряжений при обнаружении микропроцессорным
устройством превышения входным напряжением сети предельно допустимой
величины действующего значения напряжения.
Благодаря этому обеспечивается аварийное отключение цепей питания
регулировочного трансформатора от опасного повышенного напряжения
сети, присутствующего на входных выводах стабилизатора. подсо напряж электр 1,2- выводы для подсоединения входного напряжения сети; 3 - вывод для подключения заземления; 4, 5 - выводы выходного напряжения стабилизатора для единения нагрузки; 6- регулировочный трансформатор; 7- обмотка выходного напряжения стабилизатора; 8- коммутируемая регулировочная обмотка; 9, 10 - электромагнитные реле регулирования выходного напряжения со средствами коммутации цепей питания их обмоток; 11- микропроцессорное устройство управления средствами коммутации цепей питания обмоток реле; 12- средство контроля входного напряжения и формирования нормированного сигнала; 13- узел защиты от длительных повышенных напряжений; 14- электромагнитное реле защиты от длительных повышенных ений с нормально разомкнутыми контактами; 15- понижающий трансформатор; 16- выпрямитель и стабилизатор для питания микропроцессора и омагнитного реле защиты от длительных повышенных напряжений; 17- средство защиты трансформатора 15 от перегрева; 18-узел защиты от кратковременных импульсных перенапряжений;
электрическим цепям. Выводы 1,2- входные, предназначены для подсоединения стабилизатора к напряжению сети; вывод 3 предназначен для подключения заземления; выводы 4, 5 - предназначены для подсоединения нагрузки к выходному напряжению стабилизатора. Регулировочный трансформатор 6 предназначен для дискретного регулирования выходного напряжения. 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 выводом обмотки 7, подключенным к выходному выводу 4 стабилизатора, а также соединены с нормально разомкнутым переключаемым контактом реле 10. Реле 9, 10 включают в себя также средства коммутации - подключения и отключения 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. Вход микропроцессорного устройства 11 соединен с выходом средства контроля входного напряжения и формирования нормированного сигнала 12, совместимого по уровню с входом устройства 11. Входы средства контроля напряжения 12 электрически связаны с входными выводами стабилизатора через электрические цепи, имеющие соединение с входными выводами стабилизатора, и расположенные до входных выводов контактной системы электромагнитного реле защиты от длительных повышенных напряжений.
Узел защиты от длительных повышенных напряжений 13 содержит электромагнитное реле защиты от длительных повышенных напряжений 14 с нормально разомкнутыми контактами для отключения входных цепей регулировочного трансформатора от сети при недопустимых длительных повышенных напряжениях. Вход контактной системы реле защиты от длительных повышенных напряжений 14 является и входом узла защиты от длительных повышенных напряжений 13 и соединен с входом стабилизатора - выводами 1, 2 через узел защиты от кратковременных импульсных перенапряжений 18.
Узел защиты от кратковременных импульсных перенапряжений выполнен в виде параллельного ограничителя напряжения на варисторах и разрядниках, соединенных с выводами 1, 2 и выводом для подключения заземления 3.
Источник питания электромагнитного реле защиты от длительных повышенных напряжений и микропроцессорного устройства управления коммутацией цепей питания обмоток реле содержит дополнительный понижающий трансформатор 15, выпрямитель со стабилизатором напряжения 16 для питания мифопроцессора и упомянутого электромагнитного реле защиты от длительных повышенных напряжений. Цепь питания обмотки реле защиты от длительных повышенных напряжений 14 соединена с выходом упомянутого микропроцессорного устройства, которое формирует сигнал выключения этого реле при превышении действующим значением входного напряжения сети допустимого уровня.
Вход дополнительного понижающего трансформатора 15 через средство защиты 17 трансформатора 15 от перегрева соединен с выходом узла защиты от кратковременных импульсных перенапряжений 18, а вход последнего соединен с входными выводами 1, 2 для подсоединения стабилизатора к электрической сети.
Стабилизатор работает следующим образом.
При напряжении, поступающем на вход 1, 2 стабилизатора, не превышающем допустимого, конта1сты реле 14 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.
.i / fBПри отклонении напряжения сети от номинального по аналоговым сигналам со средства контроля входного напряжения 12 в микропроцессорном устройстве 11 вырабатывается сигнал управления средствами коммутации цепей питания обмоток реле 9, 10. Аналогоцифровые преобразователи микропроцессорного устройства управления 11 преобразуют сигналы, пропорциональные напряжению в цифровую форму. В микропроцессорном устройстве 11 программным путем определяются действующее значения 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 б, дисфетно изменяется до необходимой величины, в пределах допустимых пофешностей. 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 с входа 1, 2 без использования обмотки 8.
При повышении входного напряжения мифопроцессорным 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 с входа 1, 2 через узел защиты от кратковременных импульсных перенапряжений 18, через замкнутые контакты реле 14, и контакты реле 10 по обмоткам 7, 8, соединенным в данном случае по схеме понижающего автотрансформатора; 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. Благодаря этому напряжение на выходе стабилизатора - выводах 4, 5, - повышается до необходимого уровня.
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 ме}кцу собой, образуя автотрансформатор с отводами.
При значительных перенапряжениях между выводами 1, 2 или выводом заземления 3 и выводами 1, 2 срабатывают соответствующие разрядники и варисторы узла защиты от кратковременных импульсных перенапряжений 18.
При длительном превышении действующего значения входного напряжения допустимого уровня мифопроцессорное устройство 11 отключает питание обмотки реле защиты от длительных повышенных напряжений 14, контакты которого размыкаются и отключают от сети регулировочный трансформатор. После прекращения воздействия опасных длительных повышенных напряжений мифопроцессорное устройство 11 вновь включает питание обмотки реле защиты от длительных повышенных напряжений 14, контакты которого замыкаются и подключают к сети регулировочный трансформатор, автоматически восстанавливая включенное состояние регулировочного трансформатора.
вероятности отказов стабилизатора и подключенной к нему нагрузки при перенапряжениях, обусловленных следующими причинами: грозовыми разрядами, бросками напряжения на линиях электропередачи или подстанциях, электрическим транспортом и другими причинами.
Данное техническое решение может быть использовано в стабилизаторах переменного напряжения для аппаратуры связи, компьютерной техники, для бытовых и промышленных установок.
Источники информации.
1.Патент РФ № 2119229, МПК6 Н02М 5/12, G05F 1/253. Способ регулирования напряжения под нагрузкой и устройство для его осуществления.
2.Патент РФ № 2133977, МПК6 G05F 1/20. Способ переключения ответвлений обмотки трансформатора и устройство для его осуществления.
3.Полезная модель № 18810, МПК7 Н02М 2/22, 5/12. Устройство для ступенчатого регулирования переменного напряжения.
4.Патент РФ № 2188496, МПК7 Н02М 5/12, G05F 1/30. Устройство для ступенчатого регулирования переменного напряжения.
5.Полезная модель № 8847, МПК6 Н02М, 5/22. Стабилизатор переменного напряжения.
6.Патент США № 5726561, МПК6 G05F, 1/16. Voltage selection apparatus and methods.