СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
ALTERNATING VOLTAGE STABILISER

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах электропитания, в частности в стабилизаторах переменного напряжения.
Известно устройство для ступенчатого регулирования переменного напряжения (RU 2188496, Н02М 5/12, G05F 1/30, публ. 27.08.2002), обеспечивающее коммутацию отпаек обмоток трансформатора без разрыва тока нагрузки. Устройство включает входной и выходной выводы, первый трансформатор, имеющий основную обмотку, подключенную к входному выводу устройства, и секционированную обмотку понижения и/или повышения напряжения, отпайки которой подключены к соответствующим входам управляемых коммутаторов первой и второй групп, входы которых подключены к соответствующим отпайкам секционированной обмотки первого трансформатора, суммирующий делитель, первый и второй выходы которого подключены через первый и второй ключи соответственно к входам управляемых коммутаторов первой и второй групп коммутаторов соответственно, и второй трансформатор, одна из обмоток которого включена между входным и выходным выводами устройства, а другая обмотка - к выходу суммирующего делителя.
Недостатками данного устройства являются его сложность, низкие надежность и к.п.д., значительные масса и габариты из-за большого числа коммутаторов, в два раза превышающего число отпаек секционированной обмотки первого трансформатора, наличия второго силового трансформатора и суммирующего делителя, через которые протекает полный ток нагрузки.
Наиболее близким к заявляемому является стабилизатор переменного напряжения (RU 2356082, G05F 1/30, публ. 20.05.2009), включающий два входных и два выходных вывода, трансформатор, содержащий последовательно соединенные основную обмотку, начало которой является первым входным и первым выходным выводами стабилизатора, и секционированную обмотку понижения и/или повышения напряжения, отпайки секционированной обмотки подключены к соответствующим входам первой и второй групп коммутаторов, коммутаторы первой группы содержат переключающий, нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакты, токоограничивающее сопротивление, конец основной обмотки является вторым выходным выводом стабилизатора, к отпайкам с нечетными номерами подключены соответствующие входы коммутаторов второй группы, выходы которых через токоограничивающее сопротивление соединены со вторым входным выводом стабилизатора, к концу основной обмотки подключен нормально замкнутый контакт первого коммутатора первой группы, в которой к каждой k-й, где k=l, 2, 3,…, N, отпайке подключен нормально разомкнутый контакт k-го коммутатора, нормально замкнутый контакт (k+1)-гo коммутатора соединен с переключающим контактом k-го коммутатора, переключающий контакт N-го коммутатора подключен ко второму входному выводу стабилизатора.
Недостатками известного стабилизатора являются низкие надежность и к.п.д. При коммутации реле первой группы коммутаторов предварительно осуществляется замыкание контактов реле второй группы коммутаторов. Под действием э.д.с. секции в образовавшейся замкнутой цепи возникает контурный ток. Это приводит к значительному увеличению коммутируемого тока и, как следствие, к снижению надежности контактов реле первой группы. Учитывая большую вариацию времени срабатывания реле, включения реле второй группы осуществляются со значительным опережением, а отключение со значительным запаздыванием по отношению к моментам коммутации реле первой группы. При замыкании реле второй группы под действием э.д.с. секции в образовавшемся замкнутом контуре возникает длительный ток, протекающий через токоограничивающее сопротивление. Это приводит к дополнительным потерям электроэнергии, к увеличению мощности токоограничивающего сопротивления и снижению к.п.д. устройства.
Изобретение решает задачу повышения к.п.д. устройства за счет снижения длительности коммутационных токов.
Это достигается тем, что стабилизатор переменного напряжения, содержащий два входных и два выходных вывода, трансформатор, содержащий основную обмотку, начало которой является первым входным и первым выходным выводами стабилизатора, и секционированную обмотку понижения или повышения напряжения с отпайками, две группы коммутаторов и токоограничивающее сопротивление, конец основной обмотки соединен с первым выводом секционированной обмотки, коммутаторы первой группы содержат переключающий контакт, имеющий общий, нормально замкнутый и нормально разомкнутый выводы, конец основной обмотки является вторым выходным выводом стабилизатора, к отпайкам с нечетными номерами подключены соответствующие первые выводы коммутаторов второй группы, вторые выводы которых объединены и через токоограничивающее сопротивление соединены со вторым входным выводом стабилизатора, к концу основной обмотки подключен нормально замкнутый вывод первого переключающего контакта коммутатора первой группы, в которой нормально замкнутый вывод переключающего контакта каждого последующего коммутатора соединен с общим выводом контакта предыдущего коммутатора, а каждый нормально разомкнутый вывод переключающих контактов коммутаторов подключен к соответствующей отпайке, ко второму входному выводу стабилизатора подключен общий вывод контакта последнего коммутатора, нормально разомкнутый вывод переключающего контакта которого соединен со вторым выводом секционированной обмотки, дополнительно содержит датчики наличия напряжения, включенные между общим и нормально замкнутым, а также между общим и нормально разомкнутым выводами переключающих контактов коммутаторов первой группы, а коммутаторы второй группы выполнены на основе полупроводниковых ключей.
Коммутаторы второй группы включаются в начальный момент коммутации коммутаторов первой группы и выключаются после завершения коммутации. Время включенного состояния коммутаторов второй группы синхронизировано с длительностью коммутации коммутаторов первой группы.
Применение датчиков наличия напряжения и быстродействующих полупроводниковых коммутаторов второй группы значительно снижает длительность контурных токов и величину тока, коммутируемого коммутаторами первой группы, что обеспечивает повышение надежности переключающих контактов коммутаторов первой группы и к.п.д. устройства.
Сущность изобретения поясняется структурной схемой стабилизатора переменного напряжения.
Стабилизатор переменного напряжения содержит два входных 1, 2 и два выходных 3, 4 вывода, трансформатор, содержащий основную обмотку 5, начало которой является первым входным 1 и первым выходным 3 выводами стабилизатора, и секционированную обмотку 6 понижения или повышения напряжения с отпайками 7.1, 7.2,…, 7.N две группы коммутаторов 8, 9 и токоограничивающее сопротивление 10, конец основной обмотки 5 соединен с первым выводом секционированной обмотки 6, коммутаторы первой группы 8 выполнены на основе реле и содержат переключающий контакт 11.1, 11.2,…, 11.(N+1), имеющий общий, нормально замкнутый и нормально разомкнутый выводы, конец основной обмотки 5 является вторым выходным выводом 4 стабилизатора, входы коммутаторов второй группы 9 объединены и через токоограничивающее сопротивление 10 соединены со вторым входным выводом 2 стабилизатора, а их выходы подключены к отпайкам с нечетными номерами 7.1, 7.3,…, к концу основной обмотки 5 подключен нормально замкнутый вывод первого переключающего контакта 11.1 коммутатора первой группы 8, в которой нормально замкнутый вывод переключающего контакта каждого последующего коммутатора соединен с общим выводом контакта предыдущего коммутатора, а каждый нормально разомкнутый вывод переключающих контактов подключен к соответствующей отпайке 7.1, 7.2,…, 7.N, ко второму 2 входному выводу стабилизатора подключен общий вывод контакта последнего коммутатора 11.(N+1), нормально разомкнутый вывод переключающего контакта которого соединен со вторым выводом 12 секционированной обмотки 6, датчики наличия напряжения 13.1, 13.2,… ,13.2(N+1), включенные соответственно между общим и нормально замкнутым, а также между общим и нормально разомкнутым выводами переключающих контактов 11.1, 11.2,.,., 11.(N+1) коммутаторов первой группы 8, коммутаторы второй группы 9 выполнены на основе полупроводниковых ключей.
Стабилизатор переменного напряжения работает следующим образом. При изменении напряжения на входных зажимах 1, 2 стабилизатора напряжение на его выходных зажимах 3, 4 за счет поочередного переключения отпаек 7.1, 7.2,… , 7.N и второго вывода 12 секционированной обмотки 6 трансформатора поддерживается в заданных пределах. Переключения осуществляются с помощью коммутаторов первой группы 8. При коммутации переключающих контактов 11.1, 11.2,…, 11.(N+1) имеются определенный промежуток времени, порядка нескольких миллисекунд, когда относительно общего вывода на нормально замкнутом и нормально разомкнутом выводах одновременно присутствует напряжение, которое фиксируется датчиками наличия напряжения 13. При совпадении сигналов у пары датчиков наличия напряжения 13.1 и 13.2, 13.3 и 13.4,…, 13.(2N+1) и 13.2(N+1), подключенных к нормально замкнутому и нормально разомкнутому выводам одного и того же переключающего контакта, формируется сигнал на включение соответствующего коммутатора второй группы 9. При пропадании сигнала у одного из пары датчиков наличия напряжения 13.1 и 13.2, 13.3 и 13.4,… , 13.(2N+1) и 13.2(N+1), что свидетельствует о завершении коммутации, сигнал управления с соответствующего коммутаторов второй группы 9 снимается. Токоограничивающее сопротивление 10 препятствует образованию короткозамкнутого контура коммутируемых секций, если в качестве коммутаторов второй группы 9 применяются полууправляемые полупроводниковые ключи, например симисторы, имеющие задержку на выключение после снятия управляющего импульса.
Например, в исходном состоянии, как показано на чертеже, при наличии напряжения на входных выводах 1, 2 стабилизатора между общим и нормально разомкнутым выводами переключающих контактов 11.1,11.2,…, 11.(N+1) коммутаторов первой группы 8 присутствует напряжение. Датчики наличия напряжения 13.2, 13.4,…,13.2(N+1), подключенные к данным выводам, фиксируют наличие напряжения, а датчики, подключенные между общим и нормально замкнутыми выводами 13.1, 13.3,… , 13.(2N+1), фиксируют отсутствие напряжения. При коммутации первого переключающего контакта 11.1 коммутатора первой группы 8, при появлении напряжения между его общим и нормально замкнутым выводом на датчике наличия напряжения 13.1, подключенном к данным выводам, появляется сигнал. В момент появления сигналов с двух датчиков: 13.1 и 13.2, подключенных к выводам одного и того же переключающего контакта 11.1 коммутатора первой группы 8, подается сигнал на включение коммутатора второй группы 9, подключенного к нормально разомкнутому выводу переключающего контакта 11.1 коммутатора первой группы 8 или, что то же самое, к отпайке 7.1, В момент коммутации переключающего контакта 11.1, когда одновременно оба вывода: нормально замкнутый и нормально разомкнутый, находятся в разомкнутом состоянии с общим выводом, входное напряжение с вывода 2 стабилизатора поступает на отпайку 7.1 через токоограничивающее сопротивление 10 и коммутатор второй группы 9, подключенный к данной отпайке. Таким образом, ток через трансформатор при коммутации не прерывается. При завершении коммутации общий и нормально разомкнутый вывод замыкаются, и напряжение между этими выводами исчезает, исчезнет и сигнал с датчика наличия напряжения 13.2, подключенного между этими выводами. Сигнал управления со второго коммутатора 9, подключенного к отпайке 7.1, снимется, и данный коммутатор выключается.
Аналогично осуществляется коммутация остальных переключающих контактов 11.2, 11.3,…, 11.(N+1) первого коммутатора 8. В данном стабилизаторе один коммутатор второй группы 9 включается при коммутации двух соседних коммутаторов первой группы 8.
Таким образом, за счет ввода датчиков наличия напряжения и применения быстродействующих полупроводниковых коммутаторов второй группы значительно снижена длительность контурных токов и величина тока, коммутируемого коммутаторами первой группы, что обеспечивает повышение надежности переключающих контактов коммутаторов первой группы и к.п.д. устройства в целом.