Регулятор переменного напряжения

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в системах электропитания, источниках питания для электротехнологий.
Известна схема статического регулятора напряжения, содержащая вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого включена последовательно в цепь фазы между клеммами входной и выходной цепи,  регулирующий трансформатор, первичная обмотка которого подключена параллельно клеммам выходной цепи и ключи (US 6137277, МПК G05F 5/00, опубл. 24.10.2000).
Недостатком известного решения является то, что число ключей равно числу ступеней регулирования, определяющему точность регулирования, в то время как число ключей следует минимизировать для снижения стоимости регулятора переменного напряжения.
Технический результат заключается в увеличении точности регулирования напряжения за счет увеличения числа ступеней регулирования при меньшем количестве ключей в регуляторе переменного напряжения.
Технический результат достигается тем, что регулятор переменного напряжения содержит вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого включена последовательно в провод фазы между  клеммами входной и выходной цепи, регулирующий трансформатор, первичная обмотка которого подключена параллельно клеммам выходной цепи между проводом фазы и проводом нейтрали. Первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора состоит из двух одинаковых секций с отпайкой от средней точки. Регулирующий трансформатор содержит две вторичные обмотки, первую вторичную обмотку без отпайки, первый конец которой соединен с отпайкой первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора и вторую вторичную обмотку с отпайкой, состоящую из двух секций, одна из которых имеет большее число витков, чем другая. Дополнительно введен первый ключ, один конец которого соединен с первым концом первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, а второй конец соединен с концом секции с меньшим числом витков второй вторичной обмотки с отпайкой регулирующего трансформатора. Регулятор переменного напряжения содержит второй ключ, первый конец которого соединен со вторым концом первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, а второй конец соединен с концом секции с меньшим числом витков второй вторичной обмотки регулирующего трансформатора. Регулятор переменного напряжения содержит третий ключ, первый конец которого соединен с отпайкой первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора и первым концом первой вторичной обмотки регулирующего трансформатора. Регулятор переменного напряжения содержит четвертый ключ, первый конец которого соединен со вторым концом третьего ключа, а второй конец соединен с отпайкой второй вторичной обмотки регулирующего трансформатора. Регулятор переменного напряжения содержит пятый ключ, первый конец которого соединен со вторым концом третьего ключа и первым концом четвертого ключа, а второй конец соединен с концом секции с большим числом витков второй вторичной обмотки регулирующего трансформатора. Регулятор переменного напряжения содержит шестой ключ, первый конец которого соединен со вторым концом третьего ключа, первым концом четвертого ключа и первым концом пятого ключа, а второй конец шестого ключа соединен со вторым концом первой вторичной обмотки регулирующего трансформатора.
На чертеже представлена схема регулятора переменного напряжения.
15
17
18
Регулятор переменного напряжения содержит вольтодобавочный трансформатор 1, регулирующий трансформатор 2 и ключи 3–8. Вольтодобавочный трансформатор 1 содержит первичную обмотку 9 и вторичную обмотку 10. Первичная обмотка 9 состоит из двух одинаковых секций 11, 12 и имеет отпайку 13 от средней точки. Число витков каждой секции первичной обмотки 9 равно числу витков вторичной обмотки 10, то есть коэффициент трансформации относительно каждой секции 11 и 12 первичной обмотки 9 равен 1, относительно всей первичной обмотки 9 – 2. Регулирующий трансформатор 2 содержит первичную обмотку 14 и две вторичные обмотки 15 и 16. Первая вторичная обмотка 15 состоит из одной секции, а вторая вторичная обмотка 16 состоит из двух секций 17, 18 и имеет отпайку 19. Первая вторичная обмотка 15 имеет число витков W = 1N, где N – коэффициент, определяемый заданной точностью регулирования напряжения. Первая секция 17 второй вторичной обмотки 16 имеет число витков W = 1N, а вторая секция 18 – число витков W = 2N. Соответственно, в каждой секции вторичных обмоток 15 и 16 наводятся напряжения, пропорциональные числу витков секции. Вторичная обмотка 10 вольтодобавочного трансформатора 1 включена последовательно в провод фазы между входной клеммой А и выходной клеммой С регулятора переменного напряжения. Концы секций 11 и 12 первичной обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 1 через ключи 3 и 4 подключены к концу секции 17 второй вторичной обмотки 16, а отпайка 13 первичной обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 1 подключена к первому концу первой вторичной обмотки 15. Первичная обмотка 14 регулирующего трансформатора 2 подсоединена параллельно к  выходным клеммам С и D между проводом фазы и проводом нейтрали BD регулятора переменного напряжения. Отпайка 19 второй вторичной обмотки 16 регулирующего трансформатора 2 подсоединена через последовательно включенные ключи 5, 6 к отпайке 13 первичной обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 1. Конец секции 18 второй вторичной обмотки 16 подсоединен через последовательно включенные ключи 5, 7 к отпайке 13 первичной  обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 1. Второй конец вторичной обмотки 15 подсоединен через последовательно включенные ключи 5, 8 к отпайке 13 первичной обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 1.
Регулятор переменного напряжения работает следующим образом.
вд
вх
вых
вх
вд
Напряжение вторичных обмоток 15 и 16 регулирующего трансформатора 2 в различных комбинациях, определяемых состоянием ключей 3–8, подается на одну из секций  11, 12 первичной обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 1. Если ключ 3 замкнут, а ключ 4 разомкнут, то напряжение поступает на секцию 11. Если ключ 4 замкнут, а ключ 3 разомкнут то напряжение поступает на секцию 12. В результате на вторичной обмотке 10 вольтодобавочного трансформатора 1 возникает напряжение вольтодобавки U, которое либо складывается со входным напряжением U, либо вычитается из него. То есть выходное напряжение регулятора U= U± U. «Плюс» соответствует случаю, когда напряжение вольтодобавки создается напряжением, поданным на секцию 12, «минус» - напряжением, поданным на секцию 11.
В общем случае регулятор предназначен для изменения выходного напряжения по заданному закону регулирования. Наиболее часто подобные регуляторы используются для стабилизации выходного напряжения.
Если напряжение на входе регулятора равно номинальному, или отклоняется от него, находясь в границах допустимого диапазона, ключи 5–8 разомкнуты, ключи 3, 4 замкнуты и шунтируют первичную обмотку 9 вольтодобавочного трансформатора 1. В результате напряжение вольтодобавки на вторичной обмотке 10 вольтодобавочного трансформатора 1 равно нулю и выходное напряжение регулятора равно входному.
вд
Например, входное напряжение, постепенно увеличиваясь относительно номинального, превышает верхнюю границу допустимого диапазона изменения выходного напряжения, определяемого заданной точностью стабилизации.  При этом ключи 5, 6 замыкаются, а ключ 4 размыкается. Ключ 3 остается замкнутым.  Напряжение секции 17 вторичной обмотки 16 регулирующего трансформатора 2 с числом витков 1N через замкнутые ключи 3, 5, 6 поступает на секцию 11 первичной обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 1. На вторичной обмотке 10 вольтодобавочного трансформатора 1 появляется напряжение вольтодобавки U = ΔU, которое вычитается из входного напряжения и напряжение на выходе регулятора возвращается в границы допустимого диапазона изменения, определяемого заданной точности регулирования.
При дальнейшем увеличении входного напряжения и превышении верхней границы допустимого диапазона изменения выходного напряжения, определяемого заданной точностью стабилизации, ключ 5 размыкается, а ключ 8 замыкается. Ключи 3 и 6 остаются замкнутыми.  В результате к секции 11 первичной обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 1 оказываются подключены секция 17 второй вторичной обмотки 16 и первая вторичная обмотка 15 регулирующего трансформатора 2. К секции 11 первичной обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 1 прикладывается сумма напряжений секции 17 второй вторичной обмотки 16 регулирующего трансформатора 2 с числом витков 1N и  первой вторичной обмотки 15 с числом витков 1N. В результате на вторичной обмотке 10 вольтдобавочного трансформатора 1 появляется напряжение вольтодобавки  2ΔU, которое вычитается из входного напряжения и напряжение на выходе регулятора снова возвращается в границы допустимого диапазона изменения, определяемого заданной точностью регулирования.
При дальнейшем росте входного напряжения  ключи 6 и 8 размыкаются, 5 и 7 – замыкаются. Ключ 3 остается замкнутым.  К секции 11 первичной обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 1 прикладывается сумма напряжений секции 17 второй вторичной обмотки 16 регулирующего трансформатора 2 с числом витков 1N и секции 18 второй вторичной обмотки 16 регулирующего трансформатора 2 с числом витков 2N. В результате на вторичной обмотке 10 вольтодобавочного трансформатора 1 появляется напряжение вольтодобавки  3ΔU, которое вычитается из входного напряжения и напряжение на выходе регулятора снова возвращается в границы допустимого диапазона изменения, определяемого заданной точностью регулирования.
При дальнейшем росте входного напряжения ключ 5 размыкается, ключ 8 – замыкается. Ключи 3, 7 остаются замкнутыми.  К секции 11 первичной обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 1 прикладывается сумма напряжений секции 17 второй вторичной обмотки 16 регулирующего трансформатора 2 с числом витков 1N, секции 18 второй вторичной обмотки  16 с числом витков 2N  и первой вторичной обмотки 15 с числом витков 1N. В результате, на вторичной обмотке 9 вольтодобавочного трансформатора 1 появляется напряжение вольтодобавки  4ΔU, которое вычитается из входного напряжения и напряжение на выходе CD регулятора снова возвращается в границы допустимого диапазона изменения, определяемого заданной точностью регулирования.
В случае уменьшения входного напряжения относительно номинального и переходе выходным напряжением нижней границы допустимого диапазона изменения ключ 3 размыкается, а ключ 4 замыкается. Теперь напряжение вольтодобавки вторичной обмотки 10 вольтодобавочного трансформатора 1  будет создаваться секцией 12 первичной обмотки 9 вольтодобавочного трансформатора 1 и оно будет суммироваться со входным напряжением регулятора. Далее порядок коммутации вторичных обмоток 15 и 16 регулирующего трансформатора 2 будет такой же, как при увеличении входного напряжения. Выходное же напряжение также будет оставаться в пределах допустимого диапазона изменения, определяемого заданной точностью регулирования.
Таким образом, схема регулятора обеспечивает восемь ступеней регулирования выходного напряжения – четыре ступени в «плюс» и  четыре ступени в «минус» от номинального. При этом схема содержит шесть ключей, в то время как известная схема для реализации восьми ступеней регулирования требует девять ключей. Преимущество предлагаемого решения особенно ощутимо при большом количестве ступеней, требуемом для обеспечения высокой точности регулирования.
По сравнению с известным решением предлагаемое устройство позволяет увеличить точность регулирования напряжения за счет увеличения числа ступеней регулирования при меньшем количестве ключей.