стабилизатор переменного напряжения

Формула изобретения

Стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через коммутирующий блок подключена к выводам для подключения входного напряжения, а вторичная обмотка подключена между выводами для подключения входного напряжения и выводами для подключения нагрузки, устройство сравнения и управления, отличающийся тем, что введены четыре мостовые схемы, трансформатор управления, силовой ключ, ключ управления и разделительный конденсатор, коммутирующий блок содержит две пары коммутирующих элементов, каждая из размыкающего и замыкающего коммутирующего элемента, устройство сравнения и управления содержит схему сравнения и усиления, стабилизатор схемы контроля уровня выходного напряжения и схему контроля уровня выходного напряжения, при этом первичная обмотка трансформатора подключена к общим выводам пар коммутирующих элементов через выводы переменного тока первой мостовой схемы, крайние выводы пар соединенных последовательно коммутирующих элементов подключены к выводам для подключения входного напряжения, выводы постоянного тока первой мостовой схемы подключены к силовому ключу, цепь управления которого через вторую мостовую схему подключена к первичной обмотке трансформатора управления, вторичная обмотка которого через разделительный конденсатор подключена к источнику питания через выводы переменного тока третьей мостовой схемы, выводы постоянного тока которой подключены к ключу управления, вход управления которого подключен к выходу схемы сравнения и усиления, питание схемы сравнения и усиления и стабилизатора схемы контроля уровня выходного напряжения осуществляется от выходного напряжения через четвертую мостовую схему, схема контроля уровня выходного напряжения содержит два делителя напряжения, входы которых подключены к выводам постоянного тока четвертой мостовой схемы, два компаратора, первые соответственно прямой и инверсный входы которых через первую пару ограничительных резисторов подключены к средним точкам соответствующих делителей напряжения, вторые входы компараторов, инверсный и прямой соответственно, подключены через вторую пару ограничительных резисторов к выходным выводам стабилизатора схемы контроля уровня выходного напряжения, выходы компараторов через третью пару ограничительных резисторов подключены к входам соответствующих ключей контроля уровня выходного напряжения, в выходные цепи которых включены последовательно соответствующие светодиоды и обмотки управления соответствующих пар коммутирующих элементов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропитания электротехнической аппаратуры, систем связи, автоматики и телемеханики.

Известны стабилизаторы переменного напряжения с нелинейными элементами, в качестве которых служит параллельный или последовательный резонансный контур, содержащий насыщенный дроссель и конденсатор, известны также тиристорные стабилизаторы напряжения, содержащие ключи, схему сравнения и управления [1]

Однако выходное напряжение таких стабилизаторов имеет искаженную форму, содержит высшие гармоники. Кроме того, такие стабилизаторы имеют низкие объемно-массовые характеристики.

Известны также стабилизаторы со ступенчатой формой выходного напряжения, содержащие сетевой трансформатор, коммутирующие устройства, схему сравнения и управления [2]

В них основная часть мощности передается в нагрузку как не регулируемая, а часть подвергается регулировке с помощью тиристоров. Однако и такой стабилизатор искажает форму выходного напряжения за счет фазового регулирования в течение каждого полупериода сетевого напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является стабилизатор переменного напряжения, содержащий силовые трансформаторы, включенные вторичными обмотками в одну из силовых шин, первичными, через коммутирующие элементы, подключенные к входному напряжению, устройство сравнения и управления, мостовые устройства [3]

Основным недостатком такого стабилизатора является наличие нескольких трансформаторов, неоптимальность управления ими, значительные массо-габаритные характеристики.

Целью изобретения является упрощение устройства, улучшение его основных (коэффициента стабилизации потоку и напряжению) и массо-габаритных характеристик.

Цель достигается тем, что стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор, включенный вторичной обмоткой в одну из силовых шин, первичной, через коммутирующие элементы, к входному напряжению, устройство сравнения и управления, коммутирующие элементы подключены к одному из выводов первичной обмотки средней точкой, вторые выводы коммутирующих элементов (один замыкающий, другой размыкающий) к входному напряжению, другой вывод упомянутой первичной обмотки через первые выводы первой мостовой схемы подключен к другой паре коммутирующих элементов, к средней точке соединения замыкающего и размыкающего элемента, вторые выводы которых подключены к входному напряжению, вторые выводы первой мостовой схемы подключены к силовому ключу, цепь управления которого через вторую мостовую схему подключена к первичной обмотке трансформатора управления, вторичная обмотка которого через развязывающий конденсатор подключена к первым выводам третьей мостовой схемы, вторые выводы которой подключены к ключу управления, вход которого подключен к схеме сравнения и управления, питание которой осуществляется от выходного напряжения через четвертую мостовую схему, одновременно питающую стабилизатор схемы контроля уровня, содержащий два делителя напряжения, подключенных к вторым выводам четвертой мостовой схемы, два компаратора, прямой и инверсный входы которых соответственно через ограничительные резисторы подключены к средним точкам упомянутых делителей, вторые выводы компараторов инверсный и прямой подключены через другие ограничительные резисторы к выходным выводам стабилизатора схемы контроля уровня, выходы упомянутых компараторов через третьи ограничительные резисторы подключены к входам ключей контроля уровня, в выходные цепи которых включены последовательно светодиоды и обмотки коммутирующих элементов.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается наличием новых узлов и связей (например, наличие двух схем управления, наличие силового ключевого управляемого элемента, использование режима трансформатора тока и др.) и связями с остальными узлами и элементами.

Таким образом, предлагаемое устройство является новым, так как не известно из уровня техники.

Сравнение предлагаемого устройства с другими техническими решениями показывает, что при введении новых узлов с указанными связями с остальными элементами появляются новые свойства, такие как улучшенное качество выходных параметров и улучшение массо-габаритных характеристик. Это позволяет сделать вывод о том, что техническое решение имеет изобретательский уровень, так как для авторов оно явным образом не следует из уровня техники.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства, которая содержит трансформатор 1, вторичная обмотка которого включена между выводами для подключения входного напряжения и выводами для подключения нагрузки, а первичная через коммутирующий блок из коммутирующих элементов 2, 3, 4 и 5 подключена к выводам для подключения входного напряжения. Коммутирующие элементы 2,3 и 4,5 соединены попарно последовательно и их общие точки через выводы переменного тока первой мостовой схемы 6 подключены к соответствующим выводам первичной обмотки трансформатора 1, крайние выводы пар коммутирующих элементов (размыкающего 3 и замыкающего 2 и замыкающего 4 и размыкающего 5) подключены к соответствующим выводам для подключения входного напряжения, выводы постоянного тока первой схемы 6 подключены к силовому ключу 7, цепи управления которого через выводы постоянного тока второй мостовой схемы 8 подключены к первичной обмотке трансформатора управления 9, вторичная обмотка которого через разделительный конденсатор 10 подключена к источнику питания через выводы переменного тока третьей мостовой схемы 11, выводы постоянного тока которой подключены к ключу управления 12, вход управления которого подключен к выходу схемы сравнения усиления 13, содержащей, например, два делителя на резисторах 14, 15 и стабилитронах 16, 17 и дифференциальный усилитель на транзисторах 18, 19 и резисторах 20, 21 и 22, делитель напряжения на резисторах 23, 24, 25.

Питание схемы 13 осуществляется от выходного напряжения через четвертую мостовую схему 26 с выходным фильтром 27. Фильтром входного сигнала ключа 7 является конденсатор 28, а конденсатор 29 элемент, улучшающий помехоустойчивость. Стабилизатор 30, питающий схему контроля уровня 31 выходного напряжения, в частном случае, содержит регулирующий элемент 32 со стабилитроном 38, резистором 34 и фильтром 35. Схемы 13, 30 и 31 формируют устройство сравнения и управления. Схема контроля уровня выходного напряжения 31 содержит, например, два делителя напряжения 36 и 37, подключенные входами питания к входу стабилизатора 30, т.е. к выходным выводам мостовой схемы 26 два компаратора 38 и 39, инверсный вход компаратора 38 через ограничительный резистор 40 подключен к средней (регулируемой) точке делителя 36, прямой вход компаратора 39 через ограничительный резистор 41 подключен к средней (регулируемой) точке делителя 37. Прямой вход компаратора 38 через ограничительный резистор 42 подключен к одному из выходных выводов стабилизатора 30, а инверсный вход компаратора 39 через ограничительный резистор 43 подключен к другому выходному выводу упомянутого стабилизатора. Выводы компаратора 38 и 39 через третьи ограничительные резисторы 44 и 45 подключены к входам ключей 46,47 контроля уровня, в выходные цепи которых включена последовательно обмотка управления коммутирующего элемента 48 и светодиод 50 и обмотка управления 51 и светодиод 52. Причем обмотке 48 принадлежат коммутирующие элементы 2 и 3, а обмотке 51 коммутирующие элементы 4 и 5.

Узел управления силовой частью стабилизатора 53 содержит элементы 1-8, 28. Коммутирующие элементы 2 и 3 являются элементами одного исполнительного органа, 4 и 5 другого.

Устройство работает следующим образом. При наличии выходного напряжения в обусловленных пределах коммутирующие элементы находятся в положении, указанном на фиг.1. В этом случае первичная обмотка трансформатора 1 практически закорочена размыкающими коммутирующими элементами 3 и 5. В этой обмотке в таком режиме протекает ток за счет ЭДС, индуктированной током вторичной обмотки трансформатора 1. Токи в обеих обмотках определяются нагрузкой. Падение напряжения во вторичной обмотке весьма мало (единицы доли вольта), так как индуктивное сопротивление короткозамкнутого трансформатора незначительно. Режим трансформатора аналогичен режиму короткозамкнутого трансформатора тока. В этом режиме входное и выходное напряжения практически равны и КПД стабилизатора близок к единице. Подобный режим отсутствует в известных стабилизаторах.

При изменении величины сетевого напряжения возможны два основных случая:

пределы изменения фиксируются только узлом 13; в этом случае изменяется режим работы ключа управления 12, так как изменяется уровень входного сигнала его, изменяется режим работы силового ключа 7 и, следовательно, ток и напряжение первичной обмотки трансформатора 1, а значит, и напряжение вторичной обмотки упомянутого трансформатора;

изменение входного напряжения (или тока нагрузки) весьма значительны; в этом случае, например, при повышении входного напряжения схема контроля уровня 31 включает компаратор 39, ключ 47 и обмотку исполнительного элемента 51. Коммутирующие элементы 4 и 5 переключаются и первичная обмотка подключается к входному напряжению таким образом, что наводимая ЭДС во вторичной обмотке будет направлена встречно напряжению сети, а напряжение на нагрузке, т.е. выходное напряжение уменьшится, компенсируя повышение входного напряжения.

При уменьшении входного напряжения ниже допустимого уровня схема контроля уровня 31 включает компаратор 38, ключ 48 и обмотку исполнительного элемента 48. Коммутирующие элементы 2 и 3 переключаются и первичная обмотка подключается к сети другой полярностью, увеличивая выходное напряжение, т.е. выходное напряжение в этом случае будет равно сумме входного напряжения и напряжения на вторичной обмотке трансформатора 1.

Светоизлучатели (например, светодиоды) 50 и 52 индицируют режим работы стабилизатора напряжения.

Предлагаемый стабилизатор имеет то преимущество, что мощность трансформатора 1 в n раз меньше мощности нагрузки, где n коэффициент трансформации (т.е. при S 550 ВА и n 11 потребная мощность трансформатора 1 составит 50 ВА при соответствующих массе и габаритах).

Кроме того, переключения происходят без разрыва цепи нагрузки, без искажения формы выходного напряжения с достаточно высоким КПД.

Таким образом, предложенное устройство обладает рядом преимуществ по сравнению с известными стабилизаторами переменного напряжения.

Приведенные сведения (авторами испытан макет устройства с выходной мощностью P 1 кВт с И_вх 220 B⁺_- ¹⁰₁₅ % при этом нестабильность по напряжению И_вых составила 2 нестабильность по току при сбросе нагрузки 20 80 составила И_вых 5) подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.