СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
ALTERNATING VOLTAGE STABILISER

Изобретение относится к электротехнике, а именно к стабилизаторам напряжения переменного тока, предназначено для использования в системах электроснабжения для стабилизации однофазного напряжения источника электроэнергии переменного тока.
В качестве прототипа к заявляемому изобретению взят стабилизатор напряжения переменного тока - патент на полезную модель №50691, заявка №2005123427, приоритет 25.07.2005 г., содержащий автотрансформатор, коммутатор, устройство управления стабилизатором, устройство питания устройства управления стабилизатором, расположенные в корпусе, а также клеммы для подключения к сети и нагрузке, автоматический выключатель и контакт защитного заземления.
Устройство управления этим стабилизатором содержит микроконтроллер, входы которого соединены с датчиком входного напряжения, датчиком выходного напряжения, датчиком тока нагрузки и датчиком синхроимпульсов, а выходы микроконтроллера соединены с управляющими входами коммутатора и устройством отображения информации о состоянии стабилизатора. Этот стабилизатор принят за прототип.
Недостатком данного стабилизатора является: сложная конструкция стабилизатора, высокая стоимость и ненадежная работа.
Цель заявленного изобретения является достижения технического результата приводящего к - упрощению конструкции стабилизатора, повышению надежности его работы и снижение стоимости по сравнению с прототипом.
Технический результат достигается за счет того что, стабилизатор переменного напряжения (далее стабилизатор), содержащий автотрансформатор, коммутатор, автоматический выключатель, устройство питания устройства управления, клеммы подключения к сети и нагрузки, датчик тока нагрузки, устройство индикации информации о состоянии стабилизатора, устройство подключения нагрузки, состоящее из усилителя и магнитного пускателя, устройство управления стабилизатором содержащее микроконтроллер, датчик выходного напряжения, датчик тока нагрузки и датчик синхроимпульсов, корпус, в котором размещены все перечисленные элементы, а также клеммы защитного заземления, для определения входного напряжения и управления работой стабилизатора переменного напряжения используются показания датчика выходного напряжения при отсутствии датчика входного напряжения.
В стабилизаторе для определения входного напряжения и управления стабилизатором в режиме включения используется зависимость между импедансами, когда импеданс между контактами входного и выходного напряжения во много раз меньше импеданса между коммутатором и общим контактом, при этом входное напряжение с большой точностью равно выходному напряжению измеряемому датчиком выходного напряжения,
В стабилизаторе для определения входного напряжения и управления стабилизатором в режиме включения микроконтроллер, используя специально заложенную в него программу, по показаниям датчика выходного напряжения определяет, входит ли показания входного напряжения в допустимые пределы, и подает команду на включение стабилизатора с соответствующим номером контакта ключа коммутатора или при выходе показаний входного напряжения за допустимые пределы выдает команду на индикатор о характере аварии.
В стабилизаторе для определения входного напряжения и управления работой стабилизатора в режиме штатной работы микроконтроллер, используя специально заложенную в него программу, по показанию датчика выходного напряжения и номеру контакта включенного ключа коммутатора рассчитывает величину входного напряжения.
В стабилизаторе для определения входного напряжения и управления работой стабилизатора в аварийном режиме микроконтроллер, используя специально заложенную в него программу, по показанию датчика выходного напряжения и номеру одного из двух крайних контактов включенного ключа коммутатора рассчитывает критическую величину входного напряжения, выходящую за допустимые пределы, и подает команду на отключение стабилизатора и команду на индикатор о характере аварии.
В стабилизаторе переменного напряжения, находящемся в аварийном режиме, как и в режиме включения, микроконтроллер, используя специально заложенную в него программу, по показанию датчика выходного напряжения определяет показание входного напряжения и, если оно входит в допустимые пределы, подает команду на включение стабилизатора с соответствующим номером контакта ключа коммутатора.
На фиг.1 изображена функциональная схема стабилизатора переменного напряжения.
На фиг.2 изображена упрощенная схема подключения автотрансформатора и коммутатора стабилизатора переменного напряжения.
Стабилизатор 1 содержит автотрансформатор 13, устройство управления стабилизатором 2, коммутатор 14, устройство питания устройства управления стабилизатором 6, клеммы подключения сети и нагрузки 8, автоматический выключатель 9, клемму защитного заземления 16, датчик тока нагрузки 15, устройство индикации 7 и устройство подключения нагрузки 12, состоящее из усилителя 10 и магнитного пускателя 11. Устройство управления 2 содержит микроконтроллер 3, датчик выходного напряжения 5, датчик синхроимпульсов 4. Указанные элементы размещены в корпусе 1.
Стабилизатор имеет три режима работы.
1. Режим включения.
2. Режим штатной работы.
3. Режим аварийных ситуаций.
Режим включения
0
0
После включения автоматического выключателя 9 напряжение сети с клемм 8 поступает на автотрансформатор 13, устройство питания устройства управления стабилизатором 6, коммутатор 14, датчик тока нагрузки 15, датчик выходного напряжения 5 и датчик синхроимпульсов 4. Тиристорные ключи 17 коммутатора 14 (см. фиг.2) имеют емкостное сопротивление Z=1/ωС, где С=0,1 мкФ, а общее сопротивление: Z1≈Z/k, где k - количество ключей. Датчик выходного напряжения имеет сопротивление R≈300 кОм и более. Таким образом микроконтроллер производит расчет величины входного напряжения Uвх., используя для расчета величину выходного напряжения Uвых., замеряемую датчиком выходного напряжения. Учитывая то обстоятельство, что при отключенной нагрузке, (магнитный пускатель 11 выключен) величина входного напряжения равна:
где Uвых. - величина выходного напряжения;
Z1 - импеданс между контактом подключения Uвx. (сети 220 в 50 Гц) и контактом подключения Uвых. Величина Z1 определяется токами утечки коммутатора и импедансом обмоток автотрансформатора, подключенных между контактом подключения сети и коммутатором;
Z2 - импеданс между коммутатором и контактом N - общим проводом.
С учетом того, что Z2 значительно больше Z1 (не менее чем в 100 раз) при отключенной нагрузке формула (1) приобретает вид:
Если величина входного напряжения находится в допустимых пределах устройство управления производит первичное включение с помощью устройства подключения нагрузки 12 и коммутирующих элементов выбранного отвода автотрансформатора таким образом, чтобы выходное напряжение на нагрузке соответствовало номинальному.
Режим штатной работы
Все последующие переключения отводов автотрансформатора производятся при выходе величины выходного напряжения за установленные пределы, которые определяют точность стабилизации выходного напряжения, при этом моменты этих переключений уже не связаны с величиной и формой входного напряжения.
Режим аварийных ситуаций
А) Режим первичного включения. Если величина входного напряжения выходит за допустимые пределы устройство управления не производит включение автоматического выключателя 6 и коммутирующих элементов коммутатора и индицирует на устройстве индикации текущее состояние стабилизатора - «авария сети».
В) В случае выхода величины входного напряжения за пределы рабочего диапазона, который несколько превышает номинальный диапазон, устройство управления регулятором отключает нагрузку путем выключения магнитного пускателя 11 в устройстве подключения нагрузки 12, затем коммутатор отключает все отводы автотрансформатора, участвующие в регулировании, подача выходного напряжения на клеммы прекращается. Стабилизатор переходит в режим включения, после нормализации входного напряжения, то есть при входе величины входного напряжения в рабочий диапазон, устройство управления возобновляет работу по стабилизации выходного напряжения. Кроме того, устройство управления регулятором отслеживает ряд аварийных ситуаций, при наступлении которых прекращается подача выходного напряжения на клеммы подключения нагрузки. Информацию об аварийных ситуациях микроконтроллер выводит на устройство отображения информации о состоянии регулятора.
После первичного включения стабилизатор переходит в штатный режим работы под управлением микроконтроллера, который реализует следующие функции:
- измерение действующих значений выходного напряжения и тока нагрузки;
- вычисление действующего значения входного напряжения по значению выходного напряжения с учетом номера включенного отвода и тока нагрузки;
- сбор и анализ сигналов, поступающих на входы микроконтроллера;
- выдача информации на устройство индикации о текущем состоянии стабилизатора;
- отключение нагрузки в случае аварийных ситуаций с соответствующей индикацией;
- стабилизация выходного напряжения путем переключения отводов автотрансформатора;
- расчет момента переключения коммутирующих элементов;
- другие функции, например измерение температуры силовых элементов, включение вентилятора, контроль исправности коммутирующих элементов и пр.
Все вышеперечисленные функции реализуются посредством соответствующего программного обеспечения, которое заносится в программную память микроконтроллера в процессе его программирования. Переключение производится после того, как микроконтроллер определит с помощью датчика синхроимпульсов тока 4 момент перехода тока нагрузки через ноль. Точность стабилизации определяется величиной напряжения между соседними отводами автотрансформатора, а переключение при нуле тока нагрузки исключает искажения напряжения сети.
Результаты измерений входного и выходного напряжений, мощности, потребляемой нагрузкой, и других вспомогательных параметров микроконтроллер выводит на устройство отображения информации 7 о состоянии регулятора. Высокая скорость регулировки напряжения достигается путем высокой скорости измерения с помощью параметров дискретизации измерений, выходного напряжения и тока нагрузки за один период сетевого напряжения, и переключение автотрансформатора на другие отводы коммутаторными ключами при переходе фазы тока нагрузки через ноль, что исключает искажения напряжения сети.
Промышленная применимость заявляемого изобретения стабилизатора переменного напряжения подтверждается возможностью практической реализации известными средствами с использованием известных технических решений.