СТАБИЛИЗАТОР - РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
STABILISING AC VOLTAGE REGULATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, обеспечивающим требуемое качество электрической энергии для потребителей.
Уровень техники
Известен способ переключения ответвлений обмотки трансформатора и устройство для его осуществления, содержащее тиристорные ключи, включенные в цепь каждого из ответвлений регулирующей обмотки трансформатора, и устройство управления тиристорами (см. заявку на изобретение РФ №2004127292, кл. H02P 13/06).
Недостатками данного устройства являются:
ступенчатое изменение напряжения согласно числу ответвлений обмотки трансформатора;
наличие бестоковой паузы.
Известно устройство - феррорезонансный стабилизатор напряжения (Мазель К.Б. Стабилизаторы напряжения и тока ГЭИ. М., 1955 г. 135 с., Фиг. 17), в котором стабилизация напряжения осуществляется за счет изменения степени насыщения магнитопровода. Недостатками данного устройства являются:
ограниченный диапазон стабилизации сетевого напряжения;
искажение формы выходного напряжения.
Известен стабилизатор переменного напряжения (Розенблат М.А. Магнитные усилители ГЭИ. М., 1955 г. Фиг. 52), в котором стабилизация напряжения осуществляется при помощи двухкаскадного магнитного усилителя:
недостатками данного устройства являются;
искажение формы выходного напряжения;
большое количество элементов;
большие массогабаритные показатели устройства.
7
Известен стабилизатор напряжения переменного тока, содержащий автотрансформатор с ответвлениями, в котором переключения нагрузки на ответвления осуществляются оптосимисторами (см. пат. RU 2216032, МПК: G05F 1/20). Недостатками данного устройства являются:
наличие пауз в напряжении, питающем нагрузку, из-за необходимости задержки включения очередного симистора для исключения закорачивания ответвлений;
контроль входного напряжения без оценки напряжения на нагрузке, не учитывается падение напряжения на автотрансформаторе.
8
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является стабилизатор переменного напряжения, содержащий повышающий трансформатор, на выходе которого включен последовательно регулирующий дроссель с двумя параллельно включенными катушками различной индуктивности, намотанными на одном замкнутом ферромагнитном сердечнике, причем последовательно с катушкой с большей индуктивностью включен переменный резистор, регулируемый блоком управления, к выходу дросселя подключена нагрузка (см. пат. РФ №2280271, МПК: G05F 1/14, «Стабилизатор переменного напряжения» / Ю.С. Расщепляев, Н.В. Посупонько, В.Ф. Вербов, А.В. Вербов // Бюл. 2006 №19).
Недостатками прототипа являются:
в режиме холостого хода или близком к нему, т.е. на малой нагрузке, создается завышенное нестабилизированное напряжение;
большие стоимостные и массогабаритные показатели;
неэффективная система регулирования (по падению напряжения на дросселе), связанная с характером нагрузки (активно-индуктивная, активно-емкостная), не обеспечивающая стабильность напряжения на нагрузке;
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>I</mi><mn>2</mn></mrow><mrow><mi>I</mi><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0,03</mn></mrow>
при заявленном соотношении
и мощности нагрузки несколько киловатт потери мощности на сопротивлении R велики.
Раскрытие изобретения.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка стабилизатора напряжения, обеспечивающего:
- плавное, бесступенчатое регулирование и стабилизацию выходного напряжения в заданных пределах питающего напряжения и диапазона нагрузок;
- устранение коммутационных перерывов в электропитании;
- устранение коммутационных перенапряжений и бросков тока.
Технический результат, который может быть достигнут с помощью изобретения, сводится к обеспечению:
- плавного, бесступенчатого регулирования и стабилизации выходного напряжения;
- устранения коммутационных перерывов в электропитании;
- устранения коммутационных перенапряжений и бросков тока.
Технический результат достигается с помощью стабилизатора напряжения, содержащего автотрансформатор и блок управления, на каждом из двух сердечников автотрансформатора расположены одна первичная и одна управляющая обмотки, вторичная обмотка охватывает оба сердечника, вторичная и пара первичных обмоток соединены последовательно, причем первичные обмотки соединены встречно, свободный конец вторичной обмотки является общим зажимом сети и нагрузки, свободный конец первичных обмоток является вторым зажимом сети, общая точка соединения первичной и вторичной обмоток является вторым зажимом присоединения нагрузки, к каждой управляющей обмотке присоединены электронные сопротивления, величина которых регулируется блоком управления, соединенным обратной связью по напряжению с выходом стабилизатора.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлен стабилизатор напряжения, электрическая схема.
На фиг. 2 то же, диаграммы изменения напряжений на элементах стабилизатора. Индексы напряжений на диаграмме фиг. 2 соответствуют номеру элемента на фиг. 1.
Осуществление изобретения.
Стабилизатор-регулятор напряжения переменного тока содержит автотрансформатор 1, включающий: сердечники (магнитопроводы) 2 и 3, первичные обмотки 4 и 5, обмотку вторичную 6, управляющие обмотки 7 и 8, блоки 9, 10 электронных регуляторов, блок управления 11, цепь обратной связи управления 12, потенциометр 13. К выходу стабилизатора-регулятора напряжения переменного тока подключается нагрузка 14.
На каждом сердечнике 2, 3 автотрансформатора 1 расположены одна первичная 4, 5 и одна управляющая 8, 7 обмотки соответственно. Вторичная обмотка 6 охватывает сердечники 2 и 3. Первичные обмотки 4 и 5 соединены между собой последовательно встречно. Цепь первичных обмоток 4, 5 присоединена одним концом к сети, а вторым к общей точке соединения вторичной обмотки 6 и нагрузки 14. Второй конец вторичной обмотки 6 общий соединения нагрузки 14 и сети питания. Параллельно к обмотке 6 и нагрузке 14 подключен потенциометр 13. Выводы обмотки 6 являются выходом стабилизатора-регулятора и по цепи обратной связи управления 12 через потенциометр 14 параллельно подключены к блоку управления 11. К управляющим обмоткам 7 и 8 параллельно присоединены блоки 9, 10 электронных регуляторов, связанные с блоком управления 11.
1
4
5
6
ном
К входу стабилизатора, выводу первичной обмотки 4 и общим соединения вторичной обмотки 6 и нагрузки 14 прикладывается напряжение сети U, на первичных обмотках 4 и 5 наводятся напряжения U, Uсоответственно, на вторичной обмотке 6 создается напряжение U и прикладывается к нагрузке 14. Напряжение U - это номинальное напряжение питающей сети.
Устройство работает следующим образом.
1
1
4
5
4
1
5
4
5
4
5
6
3
1
1
ном
При подключении к электрической сети под действием питающего напряжения U по последовательной цепи первичных обмоток 4, 5 и вторичной обмотки 6 автотрансформатора 1 проходит электрический ток. Этот ток создает магнитные потоки в сердечниках 2 и 3. Суммарный магнитный поток сердечников 2 и 3 определяется величиной питающего напряжения U. Магнитные потоки сердечников 2 и 3 соответственно в первичных обмотках 4, 5 наводят напряжение U, U. В управляющих обмотках 7, 8 также наводятся напряжения. Напряжение U первичной обмотки 4 совпадает по направлению с питающим напряжением U, а напряжение U первичной обмотки 5 противоположно по направлению. При равенстве магнитных потоков в сердечниках 2, 3 и одинаковых числах витков в первичных обмотках 4 и 5 напряжения U и U равны по величине и противоположны по направлению. Следовательно, сумма напряжений (U+U) на концах последовательной цепи первичных обмоток 4 и 5 равна нулю из-за встречного включения обмоток 4, 5. В результате к нагрузке 14 прикладывается напряжение вторичной обмотки U, равное сетевому (U=U). Этот режим работы стабилизатора соответствует номинальному напряжению в сети (U=U). Диаграмма напряжений на элементах стабилизатора напряжения для этого режима представлена на фиг. 2а. Схема управления 11, в этом режиме, дает команду блокам 9, 10 электронных регуляторов установить наибольшие сопротивления (бесконечные, т.е. обрыв цепи). Токи в управляющих обмотках 7, 8 равны нулю, следовательно, размагничивания сердечников 2, 3 не происходит.
1
Ток холостого хода в первичных обмотках 4 и 5 автотрансформатора 1 при номинальном напряжении сети U имеет минимальное значение, так как магнитный поток идет по двум сердечникам 2 и 3, реактивная мощность, потребляемая стабилизатором из сети, минимальна.
1
6
4
5
4
5
4
5
1
6
ном
1
4
5
6
ном
При уменьшении напряжения сети U (и, соответственно, уменьшении напряжения U вторичной обмотки 6 и нагрузки 14) по цепи обратной связи 12 формируется сигнал уменьшенного значения для системы управления 11. По команде блока управления 11 блок 10 электронного регулятора уменьшает величину сопротивления. Сопротивление блока 9 электронного регулятора остается неизменным большим. В управляющей обмотке 7, замкнутой на сопротивление блока 10 электронного регулятора, протекает ток, создающий встречный магнитный поток, уменьшающий магнитный поток в сердечнике 3. Вследствие условия неизменности величины суммарного потока в обоих сердечниках 2 и 3, соответственно, в сердечнике 2 магнитный поток увеличивается из-за вынужденного уменьшения магнитного потока в сердечнике 3. В первичных обмотках 4 и 5 также происходит противоположное изменение напряжений. Напряжение U увеличивается, а U уменьшается, сумма этих напряжений не равна нулю (U+U>0) и выделяется на концах цепи первичных обмоток 4, 5. Сумма напряжений U и U совпадает по фазе с сетевым напряжением U и складывается с ним, компенсируя его снижение. Так обеспечивается стабильность напряжения на вторичной обмотке 6 (U=U) и нагрузке 14 (U+(U+U)=U=U). Этому режиму соответствует диаграмма напряжений на фиг. 2б. Переход стабилизатора на пониженное сетевое напряжение произошел плавно без коммутации в силовых цепях как питания, так и нагрузки, то есть без перерывов питания, без переключений и без искажения формы синусоидального напряжения.
1
5
При предельном уменьшении напряжения сети U происходит уменьшение сопротивления блока 10 электронного регулятора до нуля. При этом управляющая обмотка 7 становится закороченной. Магнитный поток в сердечнике 3 становится равным нулю вследствие закороченного состояния управляющей обмотки 7. При этом напряжение U первичной обмотки 5 равно нулю.
1
4
1
1
4
6
ном
6
ном
Весь суммарный магнитный поток проходит по сердечнику 2, максимальное увеличение напряжения сети U создается только напряжением U первичной обмотки 4. Сумма пониженного напряжений сети U и напряжения первичной обмотки 4 (U+U=U=U) обеспечивает стабильное напряжение U=U на вторичной обмотке 6 и нагрузке 14, фиг. 2в.
1
6
6
При росте напряжения сети U, соответственно, начинают увеличиваться напряжения U во вторичной обмотке 6 и на нагрузке 14. В этом случае процесс управления происходит следующим образом. По цепи обратной связи 12 в блок управления 11 поступает сигнал, пропорциональный начинающемуся увеличению значения напряжения U. По команде блока управления 11 производится уменьшение величины сопротивления блока 9 электронного регулятора. В этом случае сопротивление блока 10 электронного регулятора остается неизменным и имеет наибольшее значение (бесконечность).
5
4
4
5
1
6
ном
1
4
5
6
ном
В управляющей обмотке 8, замкнутой на блок 9 электронного регулятора, протекает ток, уменьшающий магнитный поток в сердечнике 2. Вследствие условия неизменности величины суммарного потока в обоих сердечниках 2 и 3, соответственно, в сердечнике 3 магнитный поток увеличивается из-за вынужденного уменьшения магнитного потока в сердечнике 2. В первичных обмотках 4 и 5 также происходит противоположное изменение напряжений. Напряжение U увеличивается, а U уменьшается, сумма этих напряжений не равна нулю и выделяется на концах цепи вторичных обмоток 4, 5. Сумма напряжений U и U находится в противофазе с сетевым напряжением U и является снижающим напряжением для него, компенсируя его увеличение. Так обеспечивается стабильность напряжения на вторичной обмотке 6 (U=U) и нагрузке 14 (U-(U+U)=U=U). Этому режиму соответствует диаграмма напряжений на фиг. 2г. Переход стабилизатора на повышенное сетевое напряжение произошел плавно без коммутации в силовых цепях как питания, так и нагрузки, то есть без перерывов питания, без переключений и без искажения формы синусоидального напряжения.
1
4
4
При предельном увеличении сетевого напряжения U сопротивление блока 9 электронного регулятора и напряжение U первичной обмотки 4 уменьшаются до нуля. При этом управляющая обмотка 8 становится закороченной. Магнитный поток в сердечнике 2 становится равным нулю вследствие закороченного состояния управляющей обмотки 8. При этом напряжение U первичной обмотки 4 равно нулю.
1
5
1
1
5
6
ном
6
ном
Весь суммарный магнитный поток проходит по сердечнику 3, максимальное снижение напряжений сети U создается только напряжением U первичной обмотки 5. Разность напряжений сети U и напряжения обмотки 5 (U-U=U=U) обеспечивает стабильное напряжение U=U на вторичной обмотке 6 и нагрузке 14. Этому режиму соответствует диаграмма напряжений фиг. 2д.
1
6
В реальных стабилизаторах сетевого напряжения при неизменном напряжении сети питания U, но при изменении величины сопротивления нагрузки 14 также происходит изменении величины напряжения U на вторичной обмотке 6 автотрансформатора 1. Это обусловлено изменением падений напряжения на активных и индуктивных сопротивлениях самого стабилизатора. Предлагаемое устройство обеспечивает также и стабилизацию напряжения на нагрузке при изменении ее величины.
Регулирование выходного напряжения на нагрузке 14, независимо от входного напряжения, осуществляется при помощи потенциометра 13. Изменением соотношения сопротивления потенциометра 13 выставляют требуемое значение выходного напряжения. По цепи обратной связи 12 в блок управления 11 поступает сигнал, пропорциональный установленному значению напряжения на сопротивлении потенциометра 13. Блок управления 11 посредством блоков 9 и 10 электронных регуляторов производит регулирование выходного напряжения.
Была проведена экспериментальная проверка работы заявляемого стабилизатора-регулятора напряжения. Сердечники магнитопроводов использовались стержневые и кольцевые. Эксперименты полностью подтвердили реализуемость заявляемого устройства.
1
Из анализа работы устройства и проведенных экспериментов следует, что стабилизация напряжения на нагрузке 6 при изменении как напряжения сети U, так и величины нагрузки 14 производится во всем диапазоне плавно без разрыва цепей сетевого питания и нагрузки. Бросок тока намагничивания возможен только однократно при включении стабилизатора в сеть.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- широкий диапазон стабилизации напряжения;
- обеспечение высокой стабильности напряжения на нагрузке;
- плавное, бесступенчатое регулирование и стабилизацию выходного напряжения;
- отсутствие коммутационных перерывов в электропитании;
- отсутствие коммутационных перенапряжений и бросков тока.