Стабилизатор переменного напряжения с дискретным регулированием

Настоящее техническое решение относится к области электротехники и предназначено для стабилизации переменного напряжения посредством коммутации выводов обмоток трансформатора механическими контактами электромагнитных реле. Область применения - стабилизаторы малой мощности (до 3 кВА) переменного напряжения сети переменного тока 220 В, 50-60 Гц с дискретным регулированием выходного напряжения.
При отклонении переменного напряжения электрической сети на входе стабилизатора от номинального напряжения в стабилизаторе вырабатываются сигналы управления электромагнитными реле, контакты которых коммутируют выводы обмоток трансформатора с целью получения на выходе требуемого напряжения.
Известны устройства дискретного регулирования переменного напряжения посредством коммутации выводов обмоток трансформатора тиристорами. В частности, регулятор переменного напряжения дискретного действия, который содержит трансформатор с секционированной обмоткой, секции которой соединены последовательно между собой и с входными выводами через прямые и шунтирующие полупроводниковые ключи с устройством их управления, обеспечивающим коммутацию выводов в моменты перехода напряжения сети через нулевой уровень. 1
Недостатком такого устройства является большое падение напряжения на коммутирующих элементах.
Известны устройства дискретного регулирования переменного напряжения посредством коммутации выводов обмоток трансформатора контактами электромагнитных реле 4, 5. Недостатками таких устройств является риск искрообразования между контактами при их коммутациях вследствие изменений нагрузки и отклонениях частоты сетевого напряжения, при которых возможно нарушение режима переключений контактов в нулевом уровне тока и напряжения. Это объясняется тем, что они выполнены без применения специальных схемотехнических решений для переключений контактов не только в моменты перехода тока через нуль при больших токах, но и в моменты перехода напряжения через нуль при небольших токах и при больших значениях амплитуды сетевого напряжения.
Известны также устройства дискретного регулирования переменного напряжения путем коммутации выводов обмоток трансформатора посредством электромагнитных реле с применения тиристоров, подсоединенных параллельно контактам реле для предотвращения возникновения электрической дуги при коммутации и обеспечения коммутации в моменты перехода напряжения сети через ноль. Недостатком такого способа является сложность конструкции.
Наиболее близким аналогом является стабилизатор переменного напряжения 6.
В трансформаторно-ключевом регулирующем органе, ключи которого выполнены в виде механических контактов реле, определяют моменты переход тока через ноль и результаты используют для управления электромагнитными реле.
отклонениях частоты сетевого напряжения, при которых возможно нарушение режима переключений контактов в нулевом уровне тока и напряжения. Это происходит вследствие нарушения синхронности коммутации контактов и моментов перехода через ноль напряжения или тока из-за изменений частоты сетевого напряжения.
При этом не обеспечивается переключение контактов в моменты перехода тока через нуль при больших токах, или в моменты перехода напряжения через нуль при небольших токах, но при больших значениях амплитуды напряжения.
Задача, на решение которой направлено данное техническое решение, заключается в устранении указанных недостатков и в реализации такого способа управления коммутацией питания обмоток электромагнитных реле, при котором исключалось бы дугообразование и обгорание контактов реле при коммутациях выводов обмоток трансформатора, как при больших, так и при малых токах нагрузки, в том числе и в случае изменений частоты.
Технический результат, достигаемый при этом, заключается в повышении надежности оборудования за счет предотвращения быстрого износа и выхода из строя контактов реле в процессе коммутации, а также в уменьшении сложности систем стабилизации переменного напряжения.
Для этого применены следующие решения.
Стабилизатор переменного напряжения выполнен с дискретным регулированием выходного напряжения посредством коммутации выводов обмоток регулирующего трансформатора и содержит следующие детали и функциональные узлы.
Выходные выводы стабилизированного напряжения для подсоединения
нагрузки.
Регулирующий трансформатор, обмотки которого имеют выводы для их
коммутации.
Электромагнитные реле, предназначенные для коммутации выводов обмоток
упомянутого трансформатора.
Управляемые средства коммутации питания обмоток реле, т. е. подключения и
отключения цепей питания обмоток этих реле, и к выходам этих средств
коммутации подсоединены обмотки реле.
Средство контроля входного напряжения Ujn.
Средство контроля потребляемого тока iic резистивным датчиком тока.
Микропроцессорное устройство управления средствами коммутации цепей
питания обмоток реле, соединенное входами с выходами упомянутых средств
контроля напряжения Ujn и тока JL, а выходами соединенное со входами
упомянутых средств коммутации цепей питания обмоток этих реле.
От известных стабилизаторов данное техническое решение отличается
следующим.
Микропроцессорная схема управления коммутацией питания обмоток реле
содержит схемы:
аналого-цифровых преобразователей для преобразования сигналов,
пропорциональных току JL и напряжению Ujn;
выборки и хранения текущих значений тока it и входного напряжения Um;
определения действующего значения тока IRMS ;
определения моментов перехода через ноль входного напряжения Ujp и
Кроме того, микропроцессорная схема управления коммутацией питания
обмоток реле включает в себя также схемы, осуществляющие выбор для
управления коммутацией питания обмоток реле одного из двух входных
сигналов:
либо от средства контроля потребляемого тока - при токе IRMS большем, чем
пороговый ток 1о, т.е. при IRMS  1о ;
либо от средства контроля входного напряжения - при токе нагрузки IRMS не
превышающем пороговый ток 1о, т.е. при IRMS  1оКроме того, выполняется расчет момента начала коммутации цепей питания
обмотки соответствующего реле с опережением, зависящем от времени
задержки коммутации соответствующих контактов реле после коммутации
питания обмотки этого реле, с целью обеспечения коммутации выводов
обмоток трансформатора контактами реле в моменты ожидаемого времени
перехода через ноль выбранного сигнала - тока L или напряжения Ujn.
При этом величина 1о выбирается в диапазоне от 0,05 Imax до 0,15 Imax, где Imax наибольшее значение входного тока при номинальной нагрузке и минимальном
входном напряжении.
В качестве элементов коммутации выводов обмоток трансформатора применены электромагнитные реле, благодаря чему обеспечено малое падение напряжения на контактах реле даже при коммутации значительных токов.
При номинальной нагрузке переключение контактов реле осуществляется в окрестностях точек перехода тока нагрузки через ноль, что исключает дугообразование и обгорание или сваривание контактов.
5,
При отсутствии нагрузки или при токе нагрузки значительно ниже номинального, переключение контактов реле осуществляется в окрестностях точек перехода напряжения через ноль, что исключает искрообразование между коммутируемыми контактами и их обгорание. Это достигнуто благодаря применению микропроцессорной системы управления включением и выключением питания обмоток реле с учетом фазового сдвига коммутируемого тока относительно напряжения при реактивной или нелинейной нагрузке.
Причем управление реле осуществляется либо по результатам обработки сигналов со средства контроля потребляемого тока L, либо по результатам обработки сигналов со средства контроля входного напряжения Ujp. При обычных режимах нагрузки - сигналами со средства контроля потребляемого тока JL с резистивным датчиком тока, а при пониженных нагрузках, в режимах, близких к холостому ходу, когда сигналы с датчика тока малы, - сигналами со средства контроля входного напряжения Uin.
На чертеже показана упрощенная схема стабилизатора.
1,2- выводы входного напряжения сети;
3, 4 - выводы выходного напряжения стабилизатора;
5- регулировочный трансформатор;
6- обмотка выходного напряжения стабилизатора;
7- первая коммутируемая регулировочная обмотка;
8- вторая коммутируемая регулировочная обмотка;
9, 10, 11 - реле со средством коммутации цепей питания его обмотки; 12 - микропроцессорное устройство управления средствами коммутации цепей питания обмоток реле;
13- средство контроля входного напряжения Um и формирования
нормированного сигнала;
14- резистивный датчик потребляемого тока JL ;
15- средство контроля потребляемого тока IL и формирования
нормированного сигнала.
Стабилизатор работает следующим образом.
При повышении напряжения сети относительно номинального по аналоговым сигналам со средства контроля входного напряжения 13 и средства контроля потребляемого тока 15с резистивным датчиком тока 14 в микропроцессорном устройстве управления средствами коммутации цепей питания обмоток реле 12 определяется, сигнал какого из средств - 13 или 15 следует использовать для расчета ожидаемого времени его перехода через ноль.
Аналого-цифровые преобразователи микропроцессорного устройства управления 12 преобразуют сигналы, пропорциональные току JL и напряжению Uin в цифровую форму.
В микропроцессорном устройстве управления 12 программным путем осуществляется определение действующего значения тока IRMS и результат сравнивается с величиной уставки, соответствующей пороговому току IQ.
Величина 1о выбирается в диапазоне от 0,05 Imax до 0,15 Uax, где Imax наибольшее значение входного тока при номинальной нагрузке и минимальном входном напряжении, в зависимости от характеристик применяемых реле в части дугообразования и допустимых коммутируемых токов таким образом, чтобы исключалась возможность образования дуги при коммутациях. Осуществляется выбор одного из двух входных сигналов от средств 13 или 15 для дальнейшего прогнозирования его перехода через ноль и управления
коммутацией цепей питания обмоток реле.
При токе IRMS большем, чем пороговый ток 1о, т.е. при IRMS  1о, для управления
коммутацией обмотки реле используются сигналы от средства контроля
потребляемого тока 15.
При токе IRMS не превышающем пороговый ток 1о, т.е. при IRMS  1о, для
управления коммутацией обмотки реле используются сигналы от средства
контроля входного напряжения 13.
Определяются моменты перехода через ноль текущего входного напряжения
Uin и потребляемого тока JL.
Рассчитываются ожидаемые моменты последующих переходов входного
напряжения Ujn и тока IL через ноль.
Далее соответствующие реле со средствами коммутации цепей питания их
обмоток переключают необходимые выводы обмоток трансформатора. В
результате этого напряжение на выходных выводах 3, 4, соединенных с
обмоткой 6 трансформатора 5, дискретно изменяется до необходимой
величины, в пределах допустимых погрешностей.
При восстановлении номинального напряжения сети процесс повторяется и завершается обратным переключением контактов.
При повышении входного напряжения коммутацией выводов обмотки 7 посредством соединения в 10 переключающего контакта с нормально разомкнутым контактом, и при нормально замкнутых контактах 9, соединяющих через резистивный датчик тока 14 контакты 10с входом 1, осуществляется снижение выходного напряжения на выходе стабилизатора 3, 4. При этом ток течет только по обмоткам 6, 7, соединенным по схеме понижающего автотрансформатора.
,1о/)3/(
Коммутацией выводов обмотки 8 контактами 11 после соединения в 9 переключающего контакта с нормально разомкнутым контактом, при необходимости осуществляется повышение или снижение выходного напряжения на выходе стабилизатора 3, 4. При этом обмотка 7 трансформатора не задействована, а последовательно с обмоткой 6 включена обмотка 8. Переключающими контактами 11 обмотка 8 соединяется с обмоткой 6 синфазно или в противофазе, создавая на выходе пониженное или повышенное относительно входа напряжение.
В исходном состоянии через нормально замкнутые контакты 9, 10 напряжение на выход 3, 4 поступает непосредственно со входа 1, 2.
Количество коммутируемых ступеней регулирования и регулировочных обмоток трансформатора и, соответственно, реле, коммутирующих выводы обмоток трансформатора, и необходимых для этого средств коммутации цепей питания обмоток этих реле, может быть любым. Дополнительные обмотки трансформатора могут быть как изолированными, так и соединенными между собой, образуя автотрансформатор с отводами.
Технический результат, достигаемый при этом, заключается в повышении надежности стабилизатора переменного напряжения с дискретным регулированием посредством коммутации выводов обмоток трансформатора за счет снижения потерь энергии на элементах коммутации, повышения коэффициента полезного действия, а также в уменьшении сложности систем. Исключено дугообразование и искрообразование на контактах и существенно снижены коммутационные помехи. Да стабилиз техники, нное техническое решение может быть использовано в аторах переменного напряжения для аппаратуры связи, компьютерной для бытовых и промышленных установок. Источники информации. 1.Гельман М. В., Лохов С. П. Тиристорные регуляторы переменного напряжения, с. 97, рис. 39. 2.Патент РФ № 2119229, МПК6 Н02М 5/12, G05F 1/253. Способ регулирования напряжения под нагрузкой и устройство для его осуществления. 3.Патент РФ № 2133977, МПК6 G05F 1/20. Способ переключения ответвлений обмотки трансформатора и устройство для его осуществления. 4.Полезная модель № 18810, МПК7 Н02М 2/22, 5/12. Устройство для ступенчатого регулирования переменного напряжения. 5.Патент РФ № 2188496, МПК7 Н02М 5/12, G05F 1/30. Устройство для ступенчатого регулирования переменного напряжения. 6.Полезная модель № 8847, МПК6 Н02М, 5/22. Стабилизатор переменного напряжения.