ЦЕПЬ ДЛЯ СИНУСОИДАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ, ПОДАВАЕМОЙ НА НАГРУЗКУ
CIRCUIT FOR SINE-WAVE CONTROL OF ELECTRIC POWER FED TO LOAD

Область техники
Настоящее изобретение относится к цепи для синусоидального регулирования электрической мощности, подаваемой на нагрузку.
Предшествующий уровень техники
Как хорошо известно, существует несколько типов регулирования и управления мощностью, подаваемой на резистивную и индуктивную нагрузку, запитываемую переменным напряжением.
Например, и для систем освещения, и для электродвигателей согласно первому способу через соответствующий коммутатор пропускают полуволны электрического тока, тем самым выбирая часть общей мощности, которой разрешено достичь нагрузке.
Другими словами, управляя углом проводимости коммутатора можно пропускать только часть синусоидальной волны, получая требуемую мощность.
Однако регулирующая система, кратко описанная выше, имеет существенный недостаток, заключающийся в генерировании гармоник, особенно третьего порядка, которые вызывают значительные помехи.
Поэтому был предложен другой способ, используемый, например, для электродвигателей, который предусматривает приложение высокочастотного (напр., 20 кГц) коммутационного сигнала к сетевому напряжению, регулирование коэффициента заполнения частей полученной таким образом полуволны, т.е. регулирование ширины коммутационных импульсов, приводящее к соответствующему регулированию потока тока на нагрузке и, следовательно, частоты вращения электродвигателя.
Хотя этот второй тип управления генерирует меньше гармонических помех, чем описанный выше, он тем не менее не свободен от недостатков. Требуется по меньшей мере один фильтр для устранения коммутационной частоты и, в более общей форме, требует применения фильтров подавления помех, чтобы регулирующие устройства, работающие по этой технологии, соответствовали действующим стандартам.
Более того, коммутационные системы характеризуются нежелательными вибрациями, которые производят неприятный шум и резонанс. Эти вибрации вызваны, так называемыми, пульсациями момента от внезапного изменения тока, подаваемого на нагрузку.
Краткое описание существа изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является создание цепи, которая не вызывает каких-либо проводимых или излучаемых электромагнитных излучений из-за регулирования синусоидальной мощности.
Другой задачей настоящего изобретения является создание цепи, способной правильно работать без генерирования механических вибраций из-за внезапного изменения тока, подаваемого на нагрузку.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание цепи, которая минимизирует выделение тепла, вызванное эффектом Джоуля.
Эти и другие задачи решены путем создания цепи для синусоидального регулирования электрической мощности, подаваемой на нагрузку.
Краткое описание чертежей
Отличительные признаки и преимущества будут более понятны из подробного описания предпочтительного, но не ограничивающего варианта реализации настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схему первого варианта цепи согласно изобретению;
Фиг.2 - схему второго варианта цепи согласно изобретению;
Фиг.3 - схему управляющей схемы для заявленной цепи согласно изобретению.
Фиг.4 - таблицу рабочих параметров цепи соответствующей управляющей схемы согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
На приложенных чертежах позицией 1 показана цепь для дискретного регулирования электрической мощности, подаваемой на нагрузку, согласно настоящему изобретению.
Цепь 1 (фиг.1 и 2) содержит входной интерфейс 5 для соединения с устройством или системой питания 6 переменного тока и выходной интерфейс 11 для соединения с нагрузкой 4.
Источник 6 питания, который может быть образован сетью электропитания или может быть устройством, способным подавать или генерировать электроэнергию, подает заранее определенное напряжение. Для примера, здесь рассматривается электрическая сеть переменного напряжения (например, 220 В), которая соединена с цепью 1 через клеммы "нейтраль" (N) и "фаза" (F).
На практике интерфейс 5 может быть образован любым соединительным средством между цепью 1 и источником 6 питания.
Выходной интерфейс 11 в свою очередь определяет средство, используемое для соединения между цепью 1 и нагрузкой 4. Как будет более очевидно из нижесказанного, через выходной интерфейс 11 на нагрузку подается электрическая энергия, соответствующим образом отрегулированная в соответствии с требованиями и характеристиками нагрузки 4.
Цепь 1 содержит также множество главных ветвей 13, включенных параллельно друг с другом. Более конкретно каждая ветвь 13 имеет первый конец 13а, соединенный с источником 6 питания, и второй конец 13b, соединенный с нагрузкой 4.
Одна или более из главных ветвей 13 содержит емкостной элемент 2 и подключенный к нему соответствующий коммутатор 3, при этом коммутатор 3 может переключаться между первым рабочим состоянием, в котором он замыкает соединение между источником 6 питания, емкостным элементом 2 и нагрузкой 4, и вторым рабочим состоянием, в котором он не замыкает вышеуказанную цепь.
На практике каждый коммутатор 3 в соответствии с его текущим рабочим состоянием может включать емкостной элемент 2 между источником питания и нагрузкой 6. Переводя разные коммутаторы 3 между первым и вторым рабочим состояниями, таким образом возможно включать разные соединенные друг с другом параллельно емкостные элементы 2 между источником питания и нагрузкой 4.
Следовательно, емкостное сопротивление импеданса, находящегося между источником питания 6 и нагрузкой 4, можно менять, тем самым определяя ту долю мощности, которая должна поступить на нагрузку 4.
Более конкретно, чем большее число коммутаторов 3 находится в первом рабочем состоянии, тем большее число емкостных элементов 2 включено между сетью 6 питания и нагрузкой 4. Каждый емкостной элемент 2 определяет межсоединение между источником 6 питания и нагрузкой 4 и, следовательно, имеется возможность увеличить мощность, подаваемую на нагрузку 4.
Преимущественно емкостные элементы 2 выполнены как обычные конденсаторы, имеющие заранее определенную емкость для того, чтобы точно регулировать количество мощности, подаваемой на нагрузку 4, как указано выше.
Предположим, что имеется два емкостных элемента 2, соответственно имеющие емкость 1 мкФ и 2 мкФ; включение только первого элемента (значит коммутатор, связанный с ним, находится в первом рабочем состоянии, а коммутатор, связанный со вторым емкостным элементом, находится во втором рабочем состоянии) приведет к получению общей емкости в 1 мкФ, и на нагрузку 4 поступит соответствующая мощность.
Включение только второго емкостного элемента 2 (т.е. переведя первый коммутатор во второе рабочее положение, а второй коммутатор - в первое рабочее состояние) очевидно даст общую емкость в 2 мкФ, и на нагрузку поступит увеличенная мощность.
Наконец, включение обоих емкостных элементов 2 (т.е. и первый, и второй коммутаторы 3 находятся в первом рабочем состоянии, поэтому оба конденсатора 2 одновременно включены параллельно) даст общую емкость 3 мкФ, и на нагрузку 4 поступит еще большая доля мощности.
В свете вышеизложенного очевидно, различные емкостные элементы 2 необязательно включать взаимно исключающим образом, их можно включать одновременно для получения заранее определенных величин общего емкостного сопротивления.
Очевидно, что можно использовать любое количество главных ветвей 13 в соответствии с требуемым количеством уровней емкостного сопротивления.
Емкостной элемент 2 каждой главной ветви 13 также соединен с соответствующим разрядным устройство 10, назначением которого является разряд энергии, накопленной в соответствующем емкостном элементе 2. Этот разряд происходит, как будет понятно из нижеследующего, когда емкостной элемент 2 не включен между нагрузкой 4 и источником 6 питания.
Преимущественно разрядное устройство 10 может быть образовано резисторами, например можно выбрать резисторы с номиналом 1 Вт и 220 кОм.
Каждая главная ветвь 13 дополнительно может содержать первое средство 8 регулирования тока, соединенное с емкостным элементом 2. Первое средство 8 регулирования тока служит для регулирования заряда конденсаторов и подавления выбросов тока внутри главной ветви 13, в которой оно установлено.
Средство 8 регулирования тока преимущественно сконструировано как термистор с отрицательным температурным коэффициентом (нигистор), сопротивление которого увеличено (например, 60 Ом) во время переходного процесса коммутатора 3, соединенного с емкостным элементом 2 соответствующей главной ветви 13, тогда как в устойчивом состоянии их сопротивление пренебрежимо мало (менее 1 Ом).
Главные ветви 13 также могут содержать средство 9 защиты, соединенное с коммутатором 3, имеющимся в каждой ветви. Средство 9 защиты закорачивает соединенный с ним коммутатор 3 при появлении повышенного напряжения или тока, вызванного переходными процессами переключения.
Предпочтительно средство 9 защиты выполнено как обычный варистор, включенный параллельно с коммутатором 3.
Цепь 1 дополнительно содержит дополнительную ветвь 17, которая, не считая отсутствия емкостного элемента 2, имеет такую же структуру, что и вышеупомянутые главные ветви 13.
Дополнительная ветвь 17 снабжена коммутатором 18, который может переходить между первым рабочим состоянием, в котором он замыкает соединение между источником 6 питания и нагрузкой 4, и вторым рабочим состоянием, в котором он не замыкает это соединение.
Дополнительная ветвь 17 дополнительно содержит средство 19 регулирования тока для устранения всплесков тока в дополнительной ветви 17 и средство 20 защиты, предпочтительно включенное параллельно коммутатору 18 для защиты коммутатора 18 от повышенных токов и напряжений во время переходных процессов переключения.
Аналогично тому, что было описано выше для главных ветвей 13, средство 19 регулирования тока дополнительной ветви 17 может быть выполнено как нигистор, тогда как средство 20 защиты дополнительной ветви 17 может быть выполнено как варистор или эквивалентный элемент цепи.
Коммутаторы 3 главных ветвей 13 и коммутатор 18 дополнительной ветви 17 могут быть, либо механическими (например, простые переключатели, кнопки, скользящие или поворотные выключатели), либо электромеханическими (например, реле), либо электронными (например, симистор).
Кроме того, в цепи 1 имеется вспомогательная ветвь 14, включенная параллельно нагрузке для управления любым резонансом цепи, наведенным нагрузкой 4. Вспомогательная ветвь 14 содержит емкостной элемент 7, разрядное устройство 15, предпочтительно включенное параллельно емкостному элементу 7, и средство 16 регулирования тока для устранения всплесков тока, вызванных коротким замыканием на конденсаторе 7 при включении любого коммутатора 3.
Средство 16 регулирования тока в предпочтительных вариантах соединено последовательно с конденсатором 7 и разрядным устройством 15 и образовано нигистором; разрядным устройством 15 преимущественно является резистор.
Для управления переходом коммутаторов 3, 18 между первым и вторым рабочими состояниями цепь 1 содержит блок 12 управления, соединенный с каждым из этих коммутаторов 3, 18. Следует отметить, что если коммутаторы 3 переводятся во второе рабочее состояние, то через дополнительную ветвь 17 нагрузка непосредственно соединяется с источником питания и получает всю доступную мощность.
Наоборот, если мощность нужно уменьшить в определенной пропорции, коммутатор 18 дополнительной ветви 17 переводится во второе рабочее состояние, а один или более из коммутаторов 3 главных ветвей 13 переводятся в первое рабочее состояние.
Блок 12 управления может быть выполнен разными способами, например, он может быть образован поворотным коммутатором 21 (фиг.3), который в каждом угловом положении, обозначенном A, B, C, D, E, F, G, H, обеспечивает включение одного или более из емкостных элементов 2 между источником 6 питания и нагрузкой 4.
Более конкретно в положении "А" включен только конденсатор С1 посредством диода D1; в положении "В" включен только конденсатор С2 с помощью диода D2.
В угловом положении "С" оба конденсатора С1, С2 соединены с нагрузкой 4 (и параллельно друг другу) через диоды D3 и D3A; в положении "D" диод D4 включает только конденсатор С3.
В положении "E" диоды D5, D5A обеспечивают включение конденсаторов С1 и С3; в положении "F" диоды D6 и D6А обеспечивают включение конденсаторов С2 и С3.
В положении "G" диоды D7, D7А и D7В включают все три конденсатора С1, С2 и С3 и, наконец в положении "Н" используется только дополнительная ветвь 17 для прямого соединения между источником 6 питания и нагрузкой 4.
Если поворотный коммутатор 21 объединить с микропроцессором, то каждая двоичная выходная комбинация такого устройства соответствует угловому положению коммутатора 21. Таким образом, каждый двоичный сигнал можно ассоциировать с конкретной величиной емкостного сопротивления, включенного между нагрузкой 4 и источником 6 питания.
Предпочтительно блок 12 (фиг.3) управления соединен с сетью электропитания через трансформатор 30, диодный мостик 31 и конденсатор 32.
Следует отметить, что преимущественно блок 12 управления оперативно воздействует на главные ветви 13 и дополнительную ветвь 17 (и, в частности, на коммутаторы 3, 18), хотя он гальванически разъединен с ними, при этом каждым из коммутаторов 3, 18 можно управлять через оптический канал между эмиттером 22, управляемым блоком 12 управления, и фотодетектором 23, соединенным с соответствующим коммутатором 3, 18.
Дополнительно или альтернативно цепь 1 может содержать микропроцессор, способный принимать на входе задающий сигнал, вводимый оператором, и генерировать на выходе соответствующий регулирующий сигнал для управления нужным включением соответствующих коммутаторов 3, 18.
На фиг.4 приведена таблица, в которой каждое двоичное число, генерируемое на выходе микропроцессора, ассоциировано с соответствующей комбинацией конденсаторов, включенных перед нагрузкой 4. Как можно заметить, конденсаторы С1, С2, С3 можно подключать постепенно, чтобы подавать на нагрузку четыре разных уровня мощности в соответствии с величиной определенного емкостного сопротивления.
Максимальный уровень мощности соответствует двоичному числу 0001 (положение "Н" поворотного коммутатора 21), когда вся имеющаяся мощность подается от источника 6 на нагрузку 4 через дополнительную ветвь 17. Наоборот, минимальный уровень мощности соответствует двоичному числу "1000" (положение "А" поворотного коммутатора 21), когда включен только конденсатор минимальной емкости.
В конкретном примере на фиг.4 конденсаторы имеют следующую емкость: С1 = 3 мкФ, С2 = 6 мкФ, С3 = 12 мкФ.
Комбинируя три конденсатора можно получить общую емкость 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 21 мкФ; восьмая величина обеспечивается дополнительной ветвью 17, которая позволяет подключить нагрузку 4 к источнику без промежуточного емкостного элемента.
По существу, для наилучшего использования, т.е. для использования наиболее равномерным способом имеющегося набора емкостей, величины емкости применяемых емкостных элементов 2 можно выбрать так, чтобы емкости включались в возрастающем порядке и каждая последующая емкость вдвое превосходила предыдущую.
N
Более того, ясно, что общее количество комбинаций составляет 2, где N - число подключаемых конденсаторов (в примере на фиг.4 N=3); каждой комбинации соответствует определенный уровень мощности, которая может подаваться на нагрузку 4.
Таким образом, мощность, подаваемая на нагрузку 4, регулируется дискретно.
На фиг.1 и 2 показаны два разных варианта цепи согласно настоящему изобретению.
На фиг.1, в частности, показано, что разрядные устройства 10 и 15 включены параллельно соответствующим емкостным элементам 2 и 7; в этом случае коммутаторы 3 (и, предпочтительно, также коммутатор 18 дополнительной ветви 17) являются двухпозиционными переключателями, которые в первом рабочем состоянии закрыты, а во втором рабочем состоянии открыты.
На фиг.2 коммутаторы в первом рабочем состоянии включают соответствующие емкостные элементы 2 между источником 6 питания и нагрузкой 4, тогда как во втором рабочем состоянии они соединяют емкостной элемент 2 с соответствующим разрядным устройством 10.
Более подробно, каждый емкостной элемент 2 имеет первый вывод и второй вывод 2а и 2b; каждое разрядное устройство 10 также имеет первый вывод и второй вывод 10а, 10b.
Первый вывод 2а каждого емкостного элемента 2 соединен с первым выводом 10а соответствующего разрядного устройства 10 и они оба соединены с нагрузкой 4.
Когда соответствующий коммутатор 3 находится в первом рабочем состоянии, он соединяет второй вывод 2b емкостного элемента 2 с источником 6 питания, оставляя разомкнутой ветвь, в которой расположено разрядное устройство 10; во втором рабочем состоянии коммутатор 3 соединяет второй вывод 2b емкостного элемента 2 и второй вывод 10b разрядного устройства 10, тем самым исключая емкостной элемент 2 из соединения между источником 6 питания и нагрузкой и позволяя разрядить емкостной элемент 2.
Работа коммутатора 18 дополнительной ветви 17 остается по существу такой же, как показано на фиг.1. В первом рабочем состоянии коммутатор 18 определяет соединение между источником 6 питания и нагрузкой 4, а во втором рабочем состоянии он размыкает дополнительную ветвь 17 так, что между источником 6 питания и нагрузкой 4 можно включить один или более из емкостных элементов 2.
Следует отметить, что можно получить и "смешанную" конфигурацию цепи, где один или более из коммутаторов 3 относятся к типу, показанному на фиг.1, а один или более из коммутаторов 3 относятся к типу, показанному на фиг.2.
Независимо от конкретного рассматриваемого варианта в свете вышеизложенного ясно, что емкостной элемент 2 ведет себя подобно простому гасящему сопротивлению, но имеет преимущество в том, что не рассеивает существенного количества теплоты, создаваемой эффектом Джоуля.
Следовательно, включая конденсаторы заранее определенной мощности, можно управлять током от источника 6 питания на нагрузку 4, соответственно регулируя мощность, подаваемую на нагрузку 4.
На практике, благодаря описанной выше конфигурации цепи, имитируется присутствие генератора переменных синусоидальных колебаний, включенного перед нагрузкой 4, способного выдавать на выходе идеально синусоидальное напряжение.
Настоящее изобретение обеспечивает важные преимущества.
Прежде всего, регулирование, осуществляемое через цепь, отличается отсутствием гармоник, в частности гармоник третьего порядка, а также отсутствием проводимых или излучаемых электромагнитных излучений, вызванных самим процессом регулирования.
Кроме того, механические вибрации из-за внезапного изменения тока, типичные для предшествующих регулирующих устройств, полностью устранены.
Другое преимущество заключается в том, что цепь согласно настоящему изобретению не требует сложных и дорогих сетевых фильтров.
В дополнение к этому, благодаря "ступенчатому" регулированию, описанному выше, можно точно и надежно определить мощность, подаваемую на нагрузку.
Использование емкостных элементов дает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что энергия не рассеивается в форме теплоты, создаваемой эффектом Джоуля.
Другое преимущество заключается в гальванической развязке между управляющей схемой и силовой цепью, что позволяет по существу развязать друг от друга два участка цепи.
Кроме того, цепь согласно настоящему изобретению имеет простую структуру и небольшое количество компонентов, является экономичной и чрезвычайно надежной.