ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
PULSE AC VOLTAGE STABILIZER

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для снабжения потребителей электроэнергии внутренней электросети предприятий трехфазным, а также однофазным стабилизированным напряжением синусоидальной формы в условиях несоответствия напряжения питающей сети требованиям ГОСТ 32144-2013.
Известен ступенчатый стабилизатор переменного напряжения (патент RU 2675247, опубл. 18.12.2018 Бюл. № 35), включающий входной и выходной выводы, трансформатор, имеющий основную вольтодобавочную обмотку, включенную последовательно с нагрузкой и подключенную к входному выводу устройства, и обмотку понижения и/или повышения напряжения для набора необходимого коэффициента трансформации, обмотка понижения и/или повышения напряжения набирается из нескольких низковольтных обмоток, часть из которых включается последовательно при необходимости изменения коэффициента трансформации, причем обмотка понижения и/или повышения напряжения набрана таким образом, что вывод начала первой низковольтной обмотки используется как начало обмотки понижения и/или повышения напряжения, выводы концов всех низковольтных обмоток, кроме последней, соединены с перекидным контактом переключающего силового реле, выводы нормально замкнутых контактов и вывод конца последней низковольтной обмотки соединены и используются как конец обмотки понижения и/или повышения напряжения, а нормально разомкнутые контакты реле соединены с выводами начал всех низковольтных обмоток, кроме первой, при этом один из выводов неиспользуемых низковольтных обмоток через нормально замкнутые контакты соединяется с одним из выводов входной линии, а второй из выводов неиспользуемых низковольтных обмоток остается отключенным от остальных проводников. Недостатком данного устройства является ступенчатое регулирование, что приводит к значительным колебаниям напряжения у потребителей.
Известен Высокочастотный стабилизатор напряжения переменного тока (патент US2016218635 от 28.09.2016). Стабилизатор напряжения переменного тока для регулирования выходного напряжения переменного тока выходного источника питания переменного тока, включающий в себя сходную с высокочастотным импульсным понижающим регулятором мощности схему регулятора переменного тока для понижения входного переменного напряжения, содержащий:
- первую униполярную цепь, включающую в себя первый полумост, содержащий первый и второй выпрямители, соединенные последовательно с первым и вторым независимо управляемыми униполярными переключателями соответственно, и первый силовой индуктор;
- вторую униполярную цепь, включающую в себя второй полумост, содержащий третий и четвертый выпрямители, соединенные последовательно с третьим и четвертым независимо управляемыми униполярными переключателями соответственно, и второй силовой индуктор;
- а также сходную с повышающим высокочастотным импульсным регулятором мощности схему регулятора переменного тока для повышения входного переменного напряжения, содержащую третью униполярную цепь, включающую в себя третий полумост, содержащий пятый и шестой выпрямители, соединенные последовательно с пятым и шестым независимо управляемыми униполярными переключателями соответственно, и третий силовой индуктор;
- четвёртую униполярную цепь, включающую в себя: четвертый полумост, содержащий седьмой и восьмой выпрямители, соединенные последовательно с седьмым и восьмым независимо управляемыми униполярными переключателями соответственно, и четвертый силовой индуктор;
- и электрическая схема управления для приема входного напряжения переменного тока, опорные переменного напряжения и выходного напряжения переменного тока, и генерирование сигналов управления переключателем для униполярных переключателей; при этом положительные и отрицательные полупериоды входного напряжения переменного тока обрабатываются отдельно и независимо, либо по схеме ВЧ импульсного повышающего регулятора мощности переменного тока, либо по схеме ВЧ импульсного понижающего регулятора мощности переменного тока, что исключает любой «сквозной выброс» мощности.
Недостатком данного стабилизатора является большое количество ключей, коммутирующих полный ток при высоком напряжении.
Наиболее близким по техническому решению является стабилизатор напряжения переменного тока (патент США US6236192 от 22.05.2001), состоящий из следующего: высокочастотный трансформатор, первая двунаправленная полупроводниковая коммутационная схема, вторая двунаправленная полупроводниковая коммутационная схема и третья двунаправленная полупроводниковая коммутационная схема, при этом входное переменное напряжение модулируется по кольцу указанной первой двунаправленной полупроводниковой коммутационной схемой для получения напряжения с кольцевой модуляцией, а напряжение с кольцевой модуляцией преобразуется на высокой частоте указанным высокочастотным трансформатором, а затем демодулируется указанной второй двунаправленной полупроводниковой коммутационной схемой для получения демодулированного напряжения переменного тока, и демодулированное напряжение переменного тока добавляется к входному напряжению переменного тока для получения повышенного напряжения переменного тока, а повышенное напряжение переменного тока модулируется по ширине с помощью указанной третьей двунаправленной полупроводниковой коммутационной схемы, включение происходит только тогда, когда вышеуказанная вторая двунаправленная полупроводниковая коммутационная схема выключена, а повышенное напряжение переменного тока непрерывно регулируется путем непрерывного регулирования коэффициента заполнения D вышеуказанной второй двунаправленной полупроводниковой коммутационной схемы при широтно-импульсной модуляции. Недостатком данного устройства является необходимость коммутации полного тока нагрузки при полном напряжении, что подразумевает использование ключей большой мощности, а также мощного высокочастотного трансформатора, что приводит к повышенным потерям и высокому уровню излучаемых помех.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является обеспечение широкого диапазона плавного регулирования при снижении коммутируемой ключами мощности и снижении себестоимости устройства.
Данная задача решается тем, что стабилизатор переменного напряжения, состоящий из входного и выходного выводов, трансформатора, имеющего вольтодобавочную обмотку и обмотку регулирования напряжения, фильтра низких частот, состоящего из конденсатора и дросселя, контроллера управления и четырех транзисторных ключей переменного напряжения, состоящих каждый из двух полевых транзисторов с индуцированным каналом, гальванически отвязанного от остальных частей устройства источника постоянного напряжения, резистора смещения и транзисторного оптрона, причем анод и катод светодиода подключены к соответствующим входным клеммам ключа, выходные клеммы ключа соединены со стоками транзисторов, истоки которых объединены и подключены к одному из выводов резистора и отрицательному выводу источника напряжения, положительный вывод которого соединен с коллектором фототранзистора оптрона, а эмиттер этого транзистора соединен со вторым выводом резистора и объединенными затворами силовых полевых транзисторов, при этом вольтодобавочная обмотка включена последовательно с нагрузкой, подключаемой между общим проводом и выходной клеммой устройства, к которой подключен один из выводов вольтодобавочной обмотки, второй вывод которой подключен ко входной клемме устройства, обмотка регулирования напряжения подключена своими выводами к конденсатору фильтра низких частот, при этом один из выводов обмотки подключен также к выводу дросселя фильтра, а второй вывод обмотки подключен к общей точке силовых клемм третьего и четвертого транзисторных ключей, задающих диапазон регулировки, при этом второй вывод дросселя фильтра соединен с общей точкой силовых клемм первого и второго транзисторных ключей, при этом вторые силовые клеммы первого и третьего транзисторных ключей соединены с входной клеммой устройства, а вторые силовые клеммы второго и четвертого транзисторных ключей подключены к общему проводу, при этом клеммы анодов входных цепей оптронов транзисторных ключей объединены и запитаны от внутреннего источника контроллера, а их клеммы катодов соединены с соответствующими выходами контроллера, запитанного от входной клеммы устройства.
Технический результат – обеспечение широкого диапазона плавного регулирования при увеличении надежности с одновременным снижением стоимости аппаратуры. Технический результат достигается путем создания трансформаторного стабилизатора напряжения, одна из обмоток которого является вольтодобавочной, а напряжение на второй из обмоток плавно регулируется от нуля до входного напряжения при помощи ШИМ-модуляции.
На решение поставленной задачи направлено создание импульсного стабилизатора переменного напряжения, где с целью снижения коммутируемой мощности и снижения требований к коммутирующим элементам при сохранении высокой точности регулирования применен вольтодобавочный трансформатор, при этом одна из обмоток является проходной и включенной последовательно с нагрузкой, а вторая включена в диагональ моста, образованного двунаправленными ключами. Один из полумостов совместно с высокочастотным фильтром определяет напряжение на высоковольтной обмотке, а второй из полумостов – его фазировку относительно входного напряжения. При этом токи через ключи моста в К раз меньше тока нагрузки, где К – коэффициент трансформации вольтодобавочного трансформатора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
- на фиг.1 – представлена схема предлагаемого устройства;
- на фиг.2 – представлена внутренняя схема примененных силовых ключей;
- на фиг.3 - осциллограмма напряжения на выходе ШИМ-модулятора.
Импульсный стабилизатор переменного напряжения (фиг.1) включает в себя входную и выходную клеммы, силовые ключи, трансформатор Т1, имеющий основную вольтодобавочную обмотку 1, начало которой подключено к входу устройства А1, а конец – к выходу устройства, и управляющую обмотку 2, начало которой подключено к одному из выводов дросселя и конденсатора фильтра нижних частот, а конец – ко второй обкладке конденсатора и середине второго полумоста, образованного ключами SW3 и SW4. Вольтодобавочная обмотка включена последовательно с нагрузкой, подключаемой между общим проводом и выходной клеммой устройства, к которой подключен один из выводов вольтодобавочной обмотки, второй вывод которой подключен ко входной клемме устройства. На вольтодобавочной обмотке индуцируется напряжение, величина которого зависит от скважности работы ШИМ ключей SW1 и SW2, а синфазность или противофазность его входному задается состоянием ключей SW3 и SW4. В первом случае происходит повышение, а во втором – снижение напряжения относительно входного до соответствующей ГОСТ величины.
Все четыре ключа имеют одинаковую структуру, изображенную на фиг.2, и состоят из входного транзисторного оптрона U1, гальванически развязанного вспомогательного источника напряжения G1, балластного резистора R1 и двух встречно-последовательно включенных МДП-транзисторов VT1 и VT2 с индуцированным каналом, стоки которых подключены к силовым клеммам XS1 и XS2 соответственно, а анод и катод входного светодиода оптрона подключены соответственно к входным клеммам ХР1 и ХР2. На все аноды оптронов подано напряжение с внутреннего стабилизатора питания блока управления CPU +Е, а катоды соединены с независимыми выходами управления с первого по четвёртый соответственно.
Клеммы управления силовых ключей подключены следующим образом: аноды светодиодов входных оптронов, являющиеся клеммами SP1 соединены с выходом встроенного в контроллер управления вспомогательного источника ЕА, а катоды SP2 каждого из светодиодов входных оптронов ключей SW1÷SW4 подключены к соответствующим управляющим выходам 1÷4 контроллера. При этом силовые клеммы XS1 ключей SW1 и SW3 подключены к входной клемме устройства, силовая клемма XS2 ключа SW1 соединена с силовой клеммой XS1 ключа SW2 и первым выводом дросселя L1, а силовая клемма XS2 ключа SW2 соединена с общим проводом, являющимся нулевой шиной (заземленной в соответствии с ПУЭ). То есть ключи SW1 и SW2 образуют полумостовую цепь формирования ШИМ регулирующего напряжения. При этом силовая клемма XS2 ключа SW3 (XS1 которого соединена с входной клеммой, как было отмечено ранее) соединена с силовой клеммой XS1 ключа SW4, также со вторым выводом конденсатора C1 и вторым выводом управляющей обмотки трансформатора T1, а силовая клемма XS2 ключа SW4 соединена с общим проводом. При этом ключи SW3 и SW4 образуют вторую полумостовую цепь, задающую полярность регулирующего напряжения.
Блок управления CPU запитан от входного напряжения и подключен к входной клемме устройства А1 и нулевому проводу. Обратная связь по напряжению с выходной клеммы устройства подключена ко входу обратной связи U (вход напряжения обратной связи) блока управления CPU.
Обмотка регулирования напряжения (управляющая обмотка) подключена своими выводами к конденсатору фильтра низких частот. Вход фильтра нижних частот, которым является другой вывод дросселя, подключен к середине первого полумоста из силовых ключей SW1 и SW2. Вторая диагональ моста включена между входной клеммой и нулевым проводом.
Фильтр низких частот выполнен из дросселя L1 и конденсатора С1, для выравнивания высокочастотного ШИМ напряжения до напряжения промышленной частоты. На фиг. 3 изображена осциллограммы напряжения, на которой 5 – осциллограмма напряжения на выходе ШИМ-модулятора на ключах SW1 и SW2, 6 - осциллограмма напряжения на конденсаторе С1, которое и подается на катушку управления трансформатора.
Двусторонний ключ работает следующим образом: при отсутствии тока через светодиод оптрона его фототранзистор закрыт, напряжение затвор - подложка обоих силовых транзисторов равно нулю, что обеспечивает отсутствие канала проводимости, и тока через них нет. При включении тока через светодиод открывается фототранзистор оптрона и на затворы силовых транзисторов подается положительное напряжение с гальванически развязанного источника G1. При этом возникают индуцированные каналы проводимости и ключ оказывается во включенном состоянии. Необходимость применения двух встречно-последовательно включенных транзисторов объясняется тем, что серийные МДП транзисторы с целью экономии выводов имеют внутреннее соединение подложки с истоком, что при отрицательном напряжении на стоке приводит к возникновению тока через p-n переход сток-подложка. При этом аналогичный переход второго транзистора оказывается этим напряжением закрыт.
На фигурах также обозначены Vcc – вывод напряжения питания, ЕА – выход внутреннего элемента (источника питания) устройства А1; 1, 2, 3, 4 – выходы управления ключами SW1, SW2, SW3 и SW4 соответственно.
Устройство работает следующим образом.
После включения питания в начальный момент ключи SW1 и SW3 закрыты, а ключи SW2 и SW4 открыты, что соответствует короткозамкнутому состоянию вольтодобавочного трансформатора и состоянию транзита электроэнергии без какой-либо регулировки. Блок управления непрерывно измеряет напряжение на входе и выходе трансформатора, и если необходима регулировка, то вычисляет соотношение величины необходимого вольтодобавочного напряжения ко входному напряжению с учетом коэффициента трансформации. После этого блок управления формирует на первом полумосте SW1 и SW2 широтноимпульсной модуляцией необходимое напряжение для обмотки управления трансформатора Т1. В зависимости от знака необходимого вольтодобавочного напряжения открыт либо ключ SW3 при закрытом SW4, если необходимо увеличивать напряжение на выходе, либо открыт SW3 при закрытом SW4, если напряжение на выходе необходимо уменьшать. При этом максимальные токи через ключи в коэффициент трансформации меньше токов нагрузки устройства.
Образец устройства реализован с использованием микроконтроллера К1986ВЕ92QI производства АО «ПКК «Миландр», оптронов АОТ129, транзисторов 2П7154БС производства ОАО «ОКБ Искра». В качестве вспомогательных источников питания выходов оптронов были использованы выходы многоканального блока питания, изготовленного по схеме обратноходового преобразователя на транзисторе КП726А1 производства завода «Интеграл» (г.Минск). Вольтодобавочный трансформатор изготовлен Псковским заводом силовых трансформаторов.
Блок управления CPU является основным и единственным вычислительным устройством и реализован на основе микросхемы типа К1986ВЕ92, являющейся микроконтроллером. Данная архитектура предполагает наличие внутри микроконтроллера довольно развитой встроенной периферии, в частности многоканальных АЦП и ЦАП, также многофункциональных таймеров-счетчиков, памяти программ и данных, энергонезависимых блоков памяти и т.д.
В заявленном техническом решении переменное напряжение питания подано на внутренний стабилизатор (в соответствии с ГОСТ вспомогательные устройства, не влияющие на принцип работы изделия, не изображены), который обеспечивает работу как самого микроконтроллера, так и силовых ключей. Кроме того, входное переменное напряжение подается на один из измерительных входов, которыми являются входы многоканального АЦП микросхемы контроллера, при этом на вход другого канала АЦП подается выходное напряжение обратной связи U. Измерения происходят с частотой выборок от 20 кГц и выше, что обеспечивает работу за пределами слышимости. Появление звуков при меньших частотах обусловлено явлениями магнитострикционных эффектов в сердечниках дросселя и трансформатора.
Полученный массив измерений мгновенных значений напряжений обрабатывается следующим образом:
1. Постоянно производится вычисление действующих значений входного и выходного напряжения, а также их частоты.
2. Производится синхронизация входного напряжения с моделью синусоидального напряжения стандартного действующего значения, заданного в табличном виде в памяти программ микроконтроллера.
3. Вычисляется отношение мгновенного значения входного напряжения с табличным значением стандартного напряжения, и, с учетом коэффициента трансформации вольтодобавочного трансформатора коэффициент скважности ШИМ напряжения, необходимый для обеспечения на выходе всего устройства напряжения, соответствующего ГОСТ.
4. Импульс необходимой длительности с последующей паузой для формирования ШИМ подается в противофазе на выходы основной вольтодобавочной 1 и управляющую обмотки 2.
5. В случае коррекции в сторону увеличения напряжения при помощи выходов 3 и 4 контроллер открывает ключ SW3 и закрывает SW4, и, в случае необходимости уменьшения напряжения, открывает SW4 и закрывает SW3.
6. В исходном состоянии, соответствующему транзиту без регулировки, ключи SW2 и SW4 открыты, а SW1 и SW3 – закрыты.
Кроме микросхемы микроконтроллера дополнительно введена вспомогательная микросхема, исключающая одновременное включение SW1 и SW2, а также SW3 и SW4.
Напряжение обратной связи U необходимо для коррекции коэффициентов пересчета, обусловленных неидеальностями характеристик элементов схемы.