СТАБИЛИЗАТОР ОДНОФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СЕТИ
STABILISER OF SINGLE-PHASE VOLTAGE IN NETWORK

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания, и предназначено для использования в системах электроснабжения с целью стабилизации однофазных источников электроэнергии переменного тока промышленной частоты.
Известно аналогичное устройство - однофазный стабилизатор напряжения [1], состоящий из однофазного трансформатора, двух оптосимисторов и системы управления стабилизатором напряжения, включающей в себя блок питания, нуль-орган, генератор пилообразного напряжения, компаратор и два формирователя импульсов. Недостатком аналога является то, что при его работе возможны искажения формы кривой напряжения.
Известен стабилизатор переменного напряжения [2], включающий повышающий трансформатор, две катушки, намотанные на один замкнутый сердечник, переменный резистор и блок управления сопротивлением резистора. Недостатком данного стабилизатора является то, что он эффективен для стабилизации напряжения на нагрузке, потребляющей большую мощность (от нескольких киловатт и выше).
Известно устройство, реализующее способ защиты нагрузки от аномальных напряжений в сети [3]. Данное устройство, предназначенное для регулирования напряжения в цепях переменного и постоянного тока, состоит из регулируемого элемента, порогового элемента нижнего допустимого значения, устройства контроля верхнего допустимого значения, детектора допустимых значений, схемы выделения переднего фронта, таймера, логического элемента "Сложение по модулю 2", инвертора, усилителя и выходного коммутирующего реле. Недостатком устройства могут являться коммутационные помехи при срабатывании реле.
Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому изобретению является стабилизатор переменного напряжения сети [4]. Данный стабилизатор содержит первичный автотрансформатор, первичный и три вторичных выпрямителя, три оптоэлектронных ключа, источник пороговых напряжений, два компаратора, детектор нуля входного напряжения сети, дешифратор, три Д-триггера, три диодных мостовых схемы и три мощных полевых транзистора. В прототипе переключение обмоток автотрансформатора для регулирования напряжения на нагрузке осуществляется мощными полевыми транзисторами, управляемыми соответствующими логическими элементами. Недостатком прототипа является наличие в нем силовых переключающих элементов (мощных полевых транзисторов), работа которых неизбежно будет приводить к некоторым искажениям синусоидального напряжения. Кроме того, при переключении больших мощностей транзисторы будут находиться в тяжелом тепловом режиме. Это потребует реализации для них некоторого облегченного режима работы или принудительного охлаждения, что повлечет за собой снижение надежности работы стабилизатора в целом.
Целью изобретения является сохранение формы стабилизируемого напряжения и повышение надежности работы стабилизатора за счет исключения из схемы силовых элементов большой мощности.
Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый стабилизатор состоит из двух каналов: основного и дополнительного управляемого каналов. Оба канала связаны между собой последовательным соединением нагрузки и вторичных обмоток двух трансформаторов так, чтобы выходные напряжения этих обмоток на нагрузке складывались. Непосредственно регулирование напряжения на нагрузке происходит в низковольтном управляемом добавочном канале только за счет увеличения или уменьшения "вольтодобавки" к изменившемуся напряжению в основном канале. Предлагаемый стабилизатор однофазного напряжения сети содержит выпрямитель, основной и добавочный трансформаторы, мостовой измерительный элемент, делитель напряжения и усилитель мощности, причем нагрузка подключена к последовательно соединенным вторичным обмоткам основного и добавочного трансформаторов, к нагрузке подключен выпрямитель, выход которого соединен с первой диагональю мостового измерительного элемента, одно плечо которого содержит последовательно соединенные резистор и стабилитрон, а второе - два резистора, во вторую диагональ моста включен светодиод резисторной оптопары, фоторезистор которой включен в делитель напряжения на дополнительной обмотке основного трансформатора, а фоторезистор оптопары подключен ко входу усилителя мощности, к выходу которого подключена первичная обмотка добавочного трансформатора.
Принцип работы стабилизатора однофазного напряжения сети поясняется фиг.1, на которой представлена его электрическая функциональная схема.
1
2
3
1
2
41
42
43
44
45
51
45
H
Стабилизатор содержит основной (входной) трансформатор 1 с первичной обмоткой 1 и вторичными обмотками 1 и 1; добавочный (выходной) трансформатор 2 с первичной 2 и вторичной 2 обмотками; выпрямитель 3; мостовой измерительный элемент 4, одно плечо которого содержит последовательно соединенные резистор R и стабилитрон VD, второе плечо содержит два резистора R и R, а в одну диагональ моста включен светодиод резисторной оптопары VS; делитель напряжения 5, состоящий из резистора R, и фоторезистора оптопары VS; усилитель мощности 6 и нагрузку R 7.
2
H
3
Перечисленные элементы образуют два канала стабилизатора: основной и добавочный (управляемый канал вольтодобавки). Основной канал состоит из вторичной обмотки 1 входного трансформатора 1, выпрямителя 3, мостового измерительного элемента 4 и непосредственно нагрузки R 7. Управляемый канал вольтодобавки состоит из вторичной (дополнительной) обмотки 1 входного трансформатора 1, делителя напряжения 5, усилителя мощности 6 и добавочного трансформатора 2.
H
2
2
Оба канала связаны между собой последовательным соединением нагрузки R 7 и вторичных обмоток 1 и 2 так, чтобы выходные напряжения этих обмоток на нагрузке складывались.
3
45
1
Выпрямитель 3 подключен параллельно нагрузке 7. Выход выпрямителя связан с первой диагональю мостового измерительного элемента 4. Ко вторичной обмотке 1 подключен делитель напряжения 5, в котором фоторезистор оптопары VS подключен ко входу усилителя мощности 6, а выход усилителя мощности соединен с первичной обмоткой 2, выходного добавочного трансформатора 2.
Стабилизатор работает следующим образом.
1
2
2
H
45
Входное напряжение сети прикладывается к первичной обмотке 1, основного трансформатора. Преобразованное в трансформаторе до соответствующего значения напряжение со вторичной обмотки 1 с напряжением вторичной обмотки 2 добавочного трансформатора 2 прикладывается к нагрузке R. Это напряжение также прикладывается и к выпрямителю 3. Выпрямленное постоянное напряжение поступает на первую диагональ мостового измерительного элемента 4. Во вторую диагональ этого элемента включен светодиод резисторной оптопары VS.
45
45
При номинальном напряжении на нагрузке будет номинальным и напряжение в первой диагонали мостового элемента 4. Соответственно номинальным будет напряжение во второй диагонали элемента 4, номинальным будет свечение светодиода оптопары VS, а значит, номинальным будет и значение сопротивления фоторезистора оптопары VS в делителе напряжения 5. В этом случае напряжение на выходе усилителя мощности 6 будет таким, чтобы результирующее напряжение на нагрузке от основного канала и от канала вольтодобавки также было номинальным.
2
45
2
Если, например, результирующее напряжение нанагрузке повысилось, то добавочное напряжение управляемого канала вольтодобавки уменьшится настолько, чтобы результирующее напряжение от двух каналов на нагрузке стало близким к номинальному. В этом случае при повышении напряжения на выходе обмотки 1 повысится постоянное напряжение и на выходе выпрямителя 3, которое прикладывается к первой диагонали мостового элемента 4. Так как в левое плечо моста включен стабилитрон, то потенциал в точке а) всегда будет оставаться постоянным. В нашем случае произойдет повышение потенциала в точке б). Светодиод оптопары VS станет светиться ярче, а сопротивление фоторезистора этой же оптопары в делителе напряжения 5 будет соответственно уменьшаться. При уменьшении сопротивления фоторезистора на входе усилителя мощности 6 уменьшится его выходное напряжение, а значит, напряжение на выходе обмотки 2, являющееся вольтодобавкой к напряжению основного (первого) канала, также уменьшится. В результате результирующее напряжение на нагрузке станет близким к номинальному.
2
45
2
Если, например, результирующее напряжение на нагрузке уменьшилось, то добавочное напряжение управляемого канала вольтодобавки должно увеличиться настолько, чтобы результирующее напряжение от двух каналов на нагрузке стало близким к номинальному. В этом случае при уменьшении напряжения на выходе обмотки 1 понизится постоянное напряжение на выходе выпрямителя 3 и произойдет понижение потенциала в точке б). Светодиод оптопары VS станет светиться менее ярко и сопротивление фоторезистора этой же оптопары в делителе напряжения 5 будет соответственно увеличиваться. При увеличении сопротивления фоторезистора на входе усилителя мощности 6 увеличится его выходное напряжение, а значит, напряжение на выходе обмотки 2, являющееся вольтодобавкой к напряжению основного (первого) канала, также увеличится. В результате результирующее напряжение на нагрузке аналогично станет близким к номинальному.
Таким образом, при изменении напряжения на нагрузке его компенсация в предлагаемом стабилизаторе осуществляется не за счет изменения режимов работы силовых элементов основного канала, как это происходило ранее, а за счет соответствующего изменения вольтодобавки дополнительного низковольтного управляемого канала к напряжению основного питающего нагрузку канала. Такое техническое решение позволяет исключить из схемы силовые элементы большой мощности, что существенно повышает надежность работы стабилизатора в целом. Кроме того, исключение из схемы управляемых силовых элементов позволяет также сохранять синусоидальную форму стабилизируемого напряжения.
В конечном итоге предложенный стабилизатор однофазного напряжения сети позволит существенно повысить качество электроэнергии и надежность вторичных источников питания систем электроснабжения различного назначения.
Источники информации
1. Григораш О.В., Цыганков Б.К. и др. Однофазный стабилизатор напряжения. Патент РФ №2282886, 2006.
2. Расщепляев Ю.С., Посупонько Н.В., Вербов В.Ф., Вербов А.В. Стабилизатор переменного напряжения. Патент РФ №2280271, 2006.
3. Расщепляев Ю.С., Посупонько Н.В., Вербов В.Ф., Вербов А.В. Способ защиты нагрузки от аномальных напряжений в сети. Патент РФ №2280292, 2006.
4. Расщепляев Ю.С., Вербов В.Ф., Вербов М.В. Стабилизатор переменного напряжения сети. Положительное решение на выдачу патента на изобретение от 18.11.2010 по заявке №2010119476/07(027680), 2010.