ВЫСОКОТОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к регуляторам (стабилизаторам) напряжения переменного тока, и предназначается для использования в системах электроснабжения для стабилизации однофазного напряжения источника электроэнергии переменного тока.
Известные регуляторы (стабилизаторы) напряжения переменного тока осуществляют стабилизацию за счет механического переключения ответвлений обмоток трансформатора (ступенчатое регулирование) (см. Рогожкин Г.М. и др. Автоматизация систем электроснабжения. Учебник для вузов - Харьков.: МО СССР, 1985, с.458, рис.8.9). К недостаткам таких стабилизаторов относятся: низкое быстродействие системы управления, относительно большая масса и габариты, малый срок службы.
Известен стабилизатор напряжения переменного тока, содержащий автоматический выключатель, а также трансформатор, тиристорные ключи как коммутатор для бесконтактного переключения ответвлений трансформатора и устройство управления стабилизатором, которое содержит блок питания, нуль-орган и формирователь импульсов, (см. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники.- М.: Энергоатомиздат, 1992. - 296 с., рис.5 9, с.238). Недостатками стабилизатора являются низкие надежность и КПД, что препятствует получению технического результата который обеспечивается предлагаемой полезной моделью.
Известен стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор с основной, дополнительными и измерительной обмотками. Начало основной обмотки является входным и выходным зажимами стабилизатора. Стабилизатор также содержит источники питания и эталонного напряжения, двухполупериодный выпрямитель с RC-фильтром на выходе, компораторы напряжения, инвертирующие входы которых через резисторы соединены с источником эталонного напряжения, а неинвертирующие входы также через резисторы подключены к выходу RC-фильтра.
Стабилизатор также содержит транзисторные усилители, электромагнитные реле с переключающими контактами (см. патент Российской Федерации на
изобретение RU 2187834, 7 кл. G05F 1 20, 2001). Недостатками стабилизатора являются низкие надежность и КПД, что препятствует получению технического результата, который обеспечивается предлагаемой полезной моделью.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемой полезной модели является стабилизатор напряжения переменного тока, содержащий трансформатор, коммутатор, выполненный в виде ключей для переключения ответвлений трансформатора, и устройство управления стабилизатором, которое содержит блок питания, нуль-орган и формирователи импульсов, в качестве трансформатора использован автотрансформатор, а в качестве ключей соответственно - оптосимисторы, причем к входу и общему выводу автотрансформатора подключен источник питания, а его первый и второй выводы через первый и второй оптосимисторы подключены к первому выходу стабилизатора, вторым выходом которого является общий вывод автотрансформатора.
Устройство управления стабилизатором дополнительно содержит генератор пилообразного напряжения, компоратор, где первый и второй входы блока питания подключены к входу и общему выводу автотрансформатора соответственно, первый выход блока питания соединен с входом нуль-органа, выход которого соединен с входом генератора пилообразного напряжения и входом первого формирователя импульсов управления, второй выход блока питания соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, выход компоратора соединен с входом второго формирователя импульсов управления, при этом выходы первого и второго формирователей управления соединены с управляющими входами первого и второго оптосимисторов. Стабилизатор содержит клеммы (входные зажимы 6 и 7, выходные зажимы 10 и 11), автоматический выключатель и контакт защитного заземления (см. патент российской Федерации на изобретение RU 2216032, кп.7 G05F 1/20, 2002).
Недостатками стабилизатора, не позволяющими достигнуть технического результата предлагаемой полезной модели, являются небольшой диапазон регулирования и импульсно-фазовое управление оптосимисторами, приводящее к неизбежным искажениям напряжения сети, что не приемлемо. Этот стабилизатор принят за прототип.
В уже известном регуляторе напряжения переменного тока, содержащем автотрансформатор, коммутатор, устройство управления регулятором, автоматический выключатель, расположенные в корпусе, так же клеммы для подключения к сети и нагрузке, указанное устройство управления содержит микроконтроллер, входы которого соединены с датчиком входного напряжения, датчиком выходного напряжения, датчиком тока нагрузки и датчиками фаз тока и напряжения, а выходы микроконтроллера соединены с управляющими входами коммутаторов и устройством отображения информации о состоянии регулятора. Отличительными от прототипа признаками являются следующие: автотрансформатор входит в регулировочный блок, состоящий из двух трасформаторов: суммирующего и автотрансформатора, суммирующий трасформатор имеет основную обмотку, подключенную к входу сети и выходу на нагрузку, и вольтодобавочную обмотку, подключенную одним концом через коммутатор грубой регулировки, через группу токоограничительных резисторов грубой регулировки к группе отводов грубой регулировки автотрансформатора,
а другим концом подключенную через коммутатор точной регулировки, через группу токоограничительных резисторов точной регулировки к группе отводов точной регулировки автотрансформатора, а указанное устройство управления содержит микроконтроллер входы которого соединены с датчиком входного напряжения, датчиком выходного напряжения, датчиком тока нагрузки и датчиками фаз тока и напряжения, а выходы микроконтроллера соединены с управляющими входами коммутаторов точной и грубой регулировки и устройством отображения информации о состоянии регулятора.
Функциональная схема высокоточного регулятора напряжения переменного тока (далее регулятор) представлена на фигуре.
Регулятор 1 содержит регулировочный блок 2, в который входит автотрансформатор 13, с двумя группами отводов: - грубой регулировки B1---BN - и точной регулировки - А1---AN, которые подключены через группу токоограничительных резисторов грубой регулировки 17 и группу токоограничительных резисторов точной регулировки 15 к соответствующим коммутаторам точной и грубой регулировки 14 и 16 и к вольтдобавочной обмотке суммирующего трансформатора 12, а основная обмотка суммирующего
трансформатора, подключена к входу сети и выходу на нагрузку. Устройство управления регулятором 2, содержит: микроконтроллер 3, входы которого соединены с датчиком входного напряжения 4, датчиком синхроимпульсов напряжения 5, датчиком выходного напряжения 6, датчиком тока нагрузки 18, датчиком синхроимпульсов тока 10, а выходы микроконтроллера 3 соединены с управляющими входами коммутатора грубой регулировки напряжения 16 и управляющими входами коммутатора точной регулировки напряжения 14, и устройством отображения информации о состоянии стабилизатора 11. Коммутаторы выполнены как электронно тиристорные блоки, состоящие из пар встречно параллельно включенных тиристоров, соединенных через блок ограничительных резисторов с отводами автотрансформатора.
Регулятор работает следующим образом: входное напряжение с клемм 7 после включения автоматического выключателя 8 поступает на суммирующий трасформатор 12. Микроконтроллер 3 с помощью датчика входного напряжения 4 производит измерение величины входного напряжения и определяет, какие отводы грубой и точной групп автотрансформатора необходимо подключить к вольтодобавочной обмотке силового трасформатора так, чтобы напряжение на нагрузке соответствовало номинальному диапазону выходного напряжения, так производится первоначальное включение стабилизатора. Дальнейшая работа стабилизатора происходит следующим образом: при изменении входного напряжения с помощью датчика входного напряжения 4 в номинальном диапазоне напряжения сети устройство управления регулятором 2 подает команды на управляющие входы коммутаторов точной и грубой регулировки 14 и 16, которые через группы токоограничительных резисторов точной и грубой регулировки 15 и 17 переключает отводы - B1---BN и - Al---AN автотрансформатора 13 таким образом, чтобы обеспечить на вольтодобавочной обмотке суммирующего трансформатора 12 токи такой величины, которые с учетом коэффициента трансформации обеспечивают на основной обмотке суммирующего трансформатора напряжение, соответствующее номинальному диапазону выходного напряжения в пределах допустимой погрешности.
Точность стабилизации определяется величиной напряжения между соседними отводами точной группы автотрансформатора, высокая скорость измерения
параметров достигается путем дискретизации измерения входного напряжения, выходного напряжения, тока нагрузки за один период сетевого напряжения, а переключение при переходе фазы тока нагрузки через ноль исключает искажения напряжения сети, что является техническим результатом предлагаемой полезной модели.
Результаты измерений входного и выходного напряжений, мощности, потребляемой нагрузки, и других вспомогательных параметров микроконтроллер выводит на устройство 14 отображения информации о состоянии регулятора. При изменении входного напряжения в номинальном диапазоне устройство управления регулятора 2 подает команды на управляющие входы коммутатора, который подключает один из грубых и один из точных отводов автотрансформатора таким образом, чтобы обеспечить на вольтодобавочной обмотке суммирующего трансформатора 12 токи такой величины, которые с учетом коэффициента трансформации обеспечивают на нагрузке напряжение, соответствующее номинальному диапазону выходного напряжения в пределах допустимой погрешности.
Переключение производится после того, как микропроцессор определит с помощью датчика синхроимпульсов тока 5 момент перехода тока нагрузки через ноль. Точность стабилизации определяется величиной напряжения между соседними отводами точной регулировки автотрансформатора, так при 6 грубых и 6 точных отводах автотрансформатора номинальный диапазон входного напряжения составляет от 130 В до 260 В при точности стабилизации ±1,5%, а переключение при нуле тока нагрузки исключает искажения напряжения сети, что является техническим результатом предлагаемой полезной модели.
В случае выхода величины входного напряжения за пределы рабочего диапазона, который несколько превышает номинальный диапазон, устройство управления регулятором коммутатора отключает все отводы автотрансформатора, участвующие в регулировании, подача выходного напряжения на клеммы прекращается. После нормализации входного напряжения, то есть при входе величины входного напряжения в номинальный 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. Таким образом, предлагаемый регулятор позволяет повысить надежность за счет уменьшения тока в цепи электронных коммутаторов, повысить быстродействие регулятора, получить высокую точность регулятора при минимальном количестве ключей в коммутаторах, что является техническим результатом. А использование устройства управления регулятором, содержащего микроконтроллер, как технический результат, позволяет повысить надежность работы за счет значительного уменьшения количества дискретных электронных элементов и обработки значительного числа аварийных ситуаций, также повышается точность измерений и объем отображаемой информации, снижается стоимость стабилизатора напряжения переменного тока. Регулятор напряжения переменного тока позволяет осуществить:
- непрерывный контроль напряжения на входе и выходе;
- непрерывный контроль тока нагрузки;
- автоматическое отключение при аварии;
- непрерывный контроль исправности силовых элементов;
- цифровую индикацию режимов работы.