устройство для ступенчатого регулирования переменного напряжения

Формула изобретения

1. Устройство для регулирования переменного напряжения, включающее входной и выходной выводы, общую точку, первый трансформатор, имеющий основную обмотку, подключенную между входным выводом устройства и общей точкой и секционированную обмотку, отпайки которой подключены к соответствующим входам управляемого коммутатора, второй трансформатор, вторичная обмотка которого включена между входным и выходным выводами устройства, отличающееся тем, что в него введены управляемый фазовращатель, через который первичная обмотка второго трансформатора подключена к выходу управляемого коммутатора посредством первого входа фазовращателя и к общей точке посредством второго входа фазовращателя, первый трансформатор выполнен повышающим напряжение не менее чем в 2 раза величины диапазона регулирования напряжения, а второй трансформатор выполнен понижающим напряжение соответственно.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фазовращатель выполнен состоящим из двух управляемых переключателей, выходы которых подключены к соответствующим выходам фазовращателя, первый вход первого переключателя объединен со вторым входом второго переключателя и подключен к первому входу фазовращателя, а второй вход первого переключателя объединен с первым входом второго переключателя и подключен ко второму входу фазовращателя.

3. Устройство по любому из п.1, или 2, отличающееся тем, что первый трансформатор выполнен в виде автотрансформатора.

4. Устройство по любому из пп.1 и 2 или 3, отличающееся тем, что управляемый коммутатор включает набор управляемых ключей по количеству отпаек секционированной обмотки первого трансформатора, выходы которых объединены и подключены к выходу коммутатора, а входы подключены к соответствующим входам коммутатора.

5. Устройство по любому из пп.1-3 или 4, отличающееся тем, что ключи управляемого коммутатора выполнены на основе реле.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования напряжения, в частности, в точных, быстродействующих стабилизаторах переменного напряжения.

Наиболее близким по технической сущности - прототипом является устройство для ступенчатого регулирования переменного напряжения, содержащее входной и выходной выводы, первый трансформатор, имеющий основную обмотку, подключенную к входному выводу устройства и секционированную обмотку понижения и/или повышения напряжения, отпайки которой подключены к соответствующим входам управляемых коммутаторов первой группы коммутаторов, управляемые коммутаторы второй группы коммутаторов, входы которых подключены к соответствующим отпайкам секционированной обмотки первого трансформатора, суммирующий делитель, первый и второй входы которого подключены через первый и второй ключи, соответственно, к выходам управляемых коммутаторов первой и второй группы коммутаторов соответственно и второй трансформатор, одна из обмоток которого включена между входным и выходным выводами устройства, а другая обмотка - к выходу суммирующего делителя (см. патент РФ №2188496 на изобретение “Устройство для ступенчатого регулирования переменного напряжения” по кл. Н 02 М 5/12, G 05 F 1/30, опубл 27.08.2002 г., бюл. № 24).

Недостатком известного устройства является его громоздкость, обусловленная наличием большого количества мощных переключателей, как минимум по два для каждой отпайки, предназначенных для коммутации токов, близких по величине к значению тока нагрузки. Использование в качестве коммутаторов бесконтактных полупроводниковых элементов, которые, как правило, требуют установки на радиатор, приводит к значительному увеличению габаритных размеров устройства. Использование же реле-коммутаторов при больших токах коммутации ограничивает частотные характеристики известного устройства, так как реле для таких токов имеют неудовлетворительные временные характеристики.

Кроме того, избыточное количество переключающих элементов снижает показатели по надежности и усложняет реализацию. Так параметры каждой пары переключателей первой и второй группы коммутаторов должны быть согласованы между собой, при этом при выходе из строя одного из пары переключателей вся токовая нагрузка ложится на другой переключатель пары.

Задачей изобретения является улучшение массогабаритных характеристик.

Техническим результатом является снижение величин коммутируемых токов позволяющее сократить объемы радиаторов либо использовать более быстродействующие реле-переключатели.

Указанный результат достигается тем, что в устройство для регулирования переменного напряжения, включающее входной и выходной выводы, общую точку, первый трансформатор, имеющий основную обмотку, подключенную между входным выводом устройства и общей точкой и секционированную обмотку, отпайки которой подключены к соответствующим входам управляемого коммутатора, второй трансформатор, вторичная обмотка которого включена между входным и выходным выводами устройства, введены управляемый фазовращатель, через который первичная обмотка второго трансформатора подключена к выходу управляемого коммутатора, посредством первого входа фазовращателя, и к общей точке, посредством второго входа фазовращателя, первый трансформатор выполнен повышающим напряжение не менее чем в 2 раза величины диапазона регулирования напряжения, а второй трансформаторы выполнен понижающим напряжение соответственно.

Кроме того:

- фазовращатель выполнен состоящим из двух управляемых переключателей, выходы которых подключены к соответствующим выходам фазовращателя, первый вход первого переключателя объединен со вторым входом второго переключателя и подключен к первому входу фазовращателя, а второй вход первого переключателя объединен с первым входом второго переключателя и подключен ко второму входу фазовращателя;

- первый трансформатор выполнен в виде автотрансформатора;

- управляемый коммутатор включает набор управляемых ключей, по количеству отпаек секционированной обмотки первого трансформатора, выходы которых объединены и подключены к выходу коммутатора, а входы подключены к соответствующим входам коммутатора;

- ключи управляемого коммутатора выполнены на основе реле.

Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на Фиг.1 показана структурная схема предлагаемого устройства с первым трансформатором, выполненным в виде автотрансформатора, на Фиг.2 - структурная схема одного из вариантов стабилизатора напряжения на основе предлагаемого устройства.

Устройство для регулирования переменного напряжения (Фиг.1) включает входной 1 и выходной 2 выводы, общую точку 3, первый 4 трансформатор, выполненный в виде автотрансформатора, с основной 5 (первичной) обмоткой, подключенной между входным 1 выводом и общей точкой 3 устройства, секционированную (вторичную) обмотку с разделяющими обмотку на секции отпайками 6, которые подключены к соответствующим входам управляемого коммутатора 7, выход которого подключен к первому входу фозовращателя 8. Второй вход фазовращателя 8 подключен к общей точке 3, а выходы фазовращателя 8 подключен к входам первичной обмотки 9 второго трансформатора 10, вторичная обмотка 11 которого включена между входным 1 и выходным 2 выводами устройства. Общая точка представляет собой точку общего (нулевого) потенциала и объединена с элементами проводящей части корпуса устройства.

Фазовращатель 8 выполнен состоящим из двух управляемых переключателей 12 и 13, выходы которых подключены к первому и второму выходам фазовращателя, соответственно, первый вход переключателя 12 и второй вход переключателя 13 объединены и подключены к первому входу фазовращателя 8, а второй вход переключателя 12 и первый вход переключателя 13 объединены и подключены ко второму входу фазовращателя 8.

Коммутатор 7 включает набор управляемых ключей 14 по количеству отпаек секционированной обмотки трансформатора 4, выходы которых объединены и подключены к выходу коммутатора 7, а входы - к соответствующим входам коммутатора 7.

Входы 15 управления переключателями 12 и 13 фазовращателя 8 и входы управления 16 ключей 13 коммутатора 7 предназначены для подачи управляющего воздействия на переключатели и ключи.

К выходу устройства подключена нагрузка 17.

Трансформатор 4 и трансформатор 10 выполнены повышающим и понижающим напряжение соответственно с коэффициентом трансформации обеспечивающим преобразование напряжения сигнала не менее чем в 2 раза относительно диапазона регулирования напряжения с сохранением значения регулируемой мощности.

Стабилизатор напряжения (Фиг.2) с использованием предлагаемого устройства для ступенчатого регулирования переменного напряжения включает входной 1 и выходной выводы, первый 4 и второй 10 трансформаторы коммутатор 7, фазовращатель 8, дешифратор 18, реверсивный счетчик 19, компараторы 20 и 21 верхнего и нижнего уровней, соответственно и измерительный орган 22.

Устройство для регулирования переменного напряжения работает следующим образом.

Входное переменное напряжение прикладывается между выводом 1 и общей точкой 3. Приложенное напряжение с вывода 1 подается на вход основной 5 (первичной) обмотки первого трансформатора 4. Трансформатор 4 является повышающим напряжение диапазона регулирования не менее чем в два раза, т.е. между крайними выводами секционированной (вторичной) обмотки трансформатора 4, а именно между крайним верхним выводом (отпайкой) и общей точкой устройства формируется напряжение, величина которого не меньше чем в 2 раза выше значения диапазона регулирования. На отпайках 6 секционированной обмотки первого трансформатора 4 формируется ряд значений переменного напряжения, величины которых находятся между значением, по меньшей мере, удвоенной величины диапазона регулирования, на крайнем верхнем выводе (отпайке) секционированной обмотки, и нулем на крайнем нижнем выводе, объединенном с общей точкой, секционированной обмотки, с шагом, определенным целями регулирования. Так, если регулирование напряжения осуществляется в пределах от 145 В до 270 В, т.е. диапазон регулирования составляет 125 В, то на крайних выводах секционированной обмотки, при любом возможном из допустимых входных напряжений, должно присутствовать напряжение не менее чем 250 В. При трансформации сохраняется мощность преобразованного тока, поэтому токи, которые далее коммутируются коммутатором 7, уменьшаются во столько же раз, во сколько раз увеличивается напряжение.

Коммутатор 7 управляется таким образом, что в любой момент времени его выход соединен только с одной отпайкой секционированной обмотки, т.е. секции секционированной обмотки не шунтируются, а на входы фазовращателя 8 подается напряжение только с одной отпайки. Переключатели 12 и 13 фазовращателя 8 управляются таким образом, что на его первом и втором выходах формируется в зависимости от управляющего воздействия, либо прямое напряжение, полученное на выходе коммутатора 7, либо обратное ему по знаку напряжение. То есть фазовращатель 8 обеспечивает дискретное переключение фазы напряжения (тока), подаваемого на первичную обмотку 9 второго трансформатора 10, что позволяет либо суммировать токи, индуцируемые во вторичной обмотке трансформатора 10 с токами нагрузки, либо вычитать их из токов нагрузки.

Трансформатор 10 является понижающим напряжение не менее чем в два раза, так, что повышенное регулирующее напряжение, сформированное на выходе секционированной обмотки, преобразуется в номинальное регулирующее переменное напряжение во вторичной обмотке 11, которое, в зависимости от состояния фазовращателя 8, добавляется или вычитается с входным напряжением и подается на выходной вывод 2 устройства. При условии сохранении мощности при преобразовании напряжения в первом и втором трансформаторах коммутация повышенного регулирующего напряжения создает требуемое изменение напряжения на выходе устройства.

В устоявшемся режиме напряжение с выхода отпайки секционированной обмотки подается через коммутатор 7 и фазовращатель 8 на первичную обмотку второго трансформатора, создавая требуемое изменение выходного напряжения. Для изменения выходного напряжения, осуществляемого, в процессе регулирования, в моменты перехода коммутируемого тока через ноль, подается соответствующее управляющее воздействие (например, в виде цифрового сигнала или кода) на управляющие входы коммутатора 7. При этом размыкается замкнутый до этого и замыкается другой, соответствующий заданию, ключ в коммутаторе 7, изменяя регулирующее напряжение. В результате изменяется и напряжение на выходе устройства. Для изменения напряжения в противоположную сторону, также в момент перехода коммутирующего тока через ноль, подается управляющее воздействие на входы управления фазовращателя 8, изменяя направление протекания тока в первичной обмотке второго трансформатора и как результат изменяя выходное напряжение устройства на нагрузке 17.

Первый трансформатор может либо обеспечивать гальваническую развязку входа и выхода устройства, либо быть выполненным в виде автотрансформатора.

Стабилизатор напряжения, выполненный на основе предлагаемого устройства для ступенчатого регулирования переменного напряжения, работает следующим образом.

В устоявшемся режиме, когда на выходе стабилизатора присутствует номинальное (заданное) напряжение, которое находится в пределах между максимальным и минимальным значениями эталонных напряжений компараторов 20 и 21, соответственно, цифровой код, формируемый на выходе реверсивного счетчика 19 и преобразуемый дешифратором 18, обеспечивает состояние ключевых элементов коммутатора 7 и фазовращателя 8 соответствующее номинальному напряжению на выходе.

При изменении выходного напряжения, например вследствие изменения сопротивления нагрузки, его значение сразу же определяется измерительным органом 22 и в какой-то момент оно может оказаться выше максимального или ниже минимального эталонных напряжений, что приведет к изменению состояния компараторов 20 или 21, соответственно. Реверсивный счетчик начнет изменять значение цифрового выходного кода в сторону уменьшения или увеличения в зависимости от состояния компараторов. Измененный цифровой код с выхода счетчика 19 через дешифратор 18 будет способствовать изменению состояния ключевых элементов коммутатора 7 и фазовращателя 8, обеспечивая понижение или повышение выходного напряжения, соответственно, вплоть до момента, когда выходное напряжение приблизится к номинальному и окажется в пределах заданных максимального и минимального эталонных напряжений, соответственно.

Благодаря снижению в предлагаемом устройстве величины коммутируемых токов как минимум в 2 раза, стало возможным снизить требования к размерам радиаторов используемых бесконтактных полупроводниковых элементов, например транзисторов, тиристоров или симисторов, что позволило обеспечить снижение массогабаритных параметров устройства в целом.

В то же время снижение величины коммутируемых токов позволило использовать в качестве переключающих элементов и ключей быстродействующие типы реле-переключателей, которые нельзя было использовать из-за необходимости коммутировать большие по значению величины токов. Так, например, если регулируемый ток в нагрузке устройства составляет 24 А при диапазоне регулирования напряжении 125 В, то в предлагаемом устройстве достаточно обеспечить коммутацию величин тока всего 12 А при напряжения 250 В. В качестве ключей коммутатора в этом случае можно использовать, например, реле типа 835 фирмы Song CHUAN, позволяющее получить приемлемые характеристики по времени переключения - не более 5 мс, при этом механический ресурс прибора вполне приемлем, и составляет 10⁷. Использование реле приводит к снижению массогабаритных показателей за счет исключения радиаторов, так как у реле отсутствует прямое падение напряжения и необходимость в радиаторе отсутствует. Использование коэффициентов преобразования первого трансформатора, соответствующих большему чем 2 раза повышению напряжения, относительно значения диапазона регулирования напряжения, позволяет переводить процесс коммутации в область еще более низких токов, что, в свою очередь, позволяет использовать более быстродействующие реле-переключатели для заданных токов нагрузки.

Введение фазовращателя обеспечивает возможность задействовать одни и те же секции первого трансформатора и ключи коммутатора для одинаковых по значению, но разных по знаку регулирующих напряжений, т.е. сократить количество ключей в два раза по сравнению с прототипом.

Использование предлагаемого устройства позволяет также снизить массогабаритные параметры трансформаторов, за счет того, что обмотки, соответствующие коммутируемым токам, наматываются проводом значительно меньшего сечения.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает снижение массогабаритных характеристик устройства по сравнению с прототипом за счет переноса процесса коммутации в область меньших токов и как следствие уменьшение объемов используемых радиаторов для бесконтактных полупроводниковых переключающих элементов либо исключения радиаторов в случае использования быстродействующих реле.