ферродиодный способ стабилизации напряжения и устройство для его осуществления

Формула изобретения

Устройство стабилизации напряжения, содержащее два диода, два трансформатора и два дросселя, на сердечнике каждого из дросселей расположены входная обмотка и обмотка намагничивания постоянным током, отличающееся тем, что обмотки намагничивания постоянным током дросселей соединены последовательно согласно и подключены к задающему напряжению, обеспечивающему требуемое изменение тока, конец входной обмотки одного из дросселей подключен к аноду одного из диодов, конец входной обмотки другого дросселя подключен к катоду другого диода, свободные зажимы диодов соединены между собой и подключены к зажиму входной обмотки одного из трансформаторов и к общей линии вход-выход, другой зажим указанной обмотки подключен к общей точке других концов входных обмоток дросселей и к концу входной обмотки второго трансформатора, другой конец которой соединен с концом выходной обмотки этого трансформатора и с зажимом питающего напряжения, второй конец выходной обмотки второго трансформатора соединен с концом выходной обмотки первого трансформатора, второй конец которой соединен со вторым выходным зажимом, при этом входная обмотка второго трансформатора соединена согласно последовательно с его выходной обмоткой, выходная обмотка второго трансформатора соединена встречно последовательно с выходной обмоткой первого трансформатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к электромашиностроению, и может быть использовано при создании стабилизаторов напряжения в качестве индивидуальных источников питания для промышленных и иных потребителей.

В современном электромашиностроении известен способ стабилизации напряжения за счет ступенчатого регулирования путем подключения к отпайкам выходной обмотки трансформатора напряжения [2]. Однако при таком способе возникают скачки выходного напряжения, достигающие 40 В. Это вызывает срывы работы некоторой быстродействующей электронной техники (компьютеры, процессоры), что является существенным недостатком данного способа и снижает его надежность.

Устройство по этому способу [2] содержит силовой трансформатор напряжения с отпайками на вторичной обмотке, тиристорные ключи, подключенные к этим отпайкам и схему управления тиристорами. С помощью переключения тиристорными ключами отпаек силового трансформатора осуществляется амплитудное регулирование напряжения по принципу ступенчатой вольтодобавки. Однако при работе такого стабилизатора напряжения на нагрузку с cos ниже 0.7 происходит запаздывание закрытия тиристоров. В результате может оказаться, что подключенные к отпайкам трансформатора два тиристора окажутся открытыми. Это вызовет короткое замыкание и пробой тиристоров. Применяемые схемы защиты блокируют работу тиристоров при cos ниже 0.7, но тогда в этом случае стабилизатор перестает стабилизировать напряжение. Это является существенным недостатком и снижает надежность работы устройства.

Прототипом заданного изобретения является способ стабилизации выходного напряжения, применяемый в индивидуальном источнике питающего напряжения - статическом ферромагнитном преобразователе частоты [1]. Здесь под воздействием постоянного тока намагничивания сердечники многообмоточных трансформаторов периодически насыщаются, благодаря чему обеспечивают работу источника напряжения независимо от выходной частоты. Для достижения стабилизации при колебаниях входного напряжения здесь обеспечивается постоянство постоянного тока намагничивания. Однако при данном способе надежная работа источника напряжения имеет место при сравнительно небольших колебаниях входного напряжения. В реальных условиях колебания сетевого напряжения более значительны, что отрицательно сказывается на работоспособности источника напряжения, т.е. уменьшается надежность данного способа стабилизации.

Устройство по этому способу [1] содержит диоды, конденсаторы и парные многообмоточные трансформаторы, на сердечниках которых расположены входные и выходные обмотки, обмотки самоподмагничивания и обмотки намагничивания постоянным током. Кроме того, на двух сердечниках одной пары трансформаторов расположена следящая обмотка за величиной входного напряжения. Обмотка постоянного тока через один из двух выпрямителей включена последовательно с одной фазой входной обмотки. Параллельно этому выпрямителю включен транзистор. Другой выпрямитель одной парой клемм подключен к следящей обмотке, а другой парой клемм - через резистор к транзистору. Под воздействием постоянного тока сердечники трансформаторов периодически насыщаются. Для стабилизации выходного напряжения при колебаниях входного транзистор переходом эмиттер-коллектор подключен параллельно обмотке намагничивания постоянным током, а переходом эмиттер-база через резистор подключен к выпрямителю на следящей обмотке. Приведенная схема питания обмотки намагничивания обеспечивает постоянство тока намагничивания при колебаниях входного напряжения [1]. При этом сохраняется постоянство степени насыщения сердечников, а значит, и скорость нарастания потока этих сердечников. А так как амплитуда ЭДС выходной обмотки зависит от скорости нарастания потока, то, соответственно, эта амплитуда остается также постоянной. Однако при значительном увеличении входного напряжения наступает значительный рост (в несколько раз) входного тока трансформаторов из-за того, что их сердечники насыщены. Происходит перегрев обмоток. Таким образом, данное устройство как источник напряжения имеет недостаточную надежность.

Целью настоящего изобретения является увеличение надежности стабилизатора напряжения как индивидуального источника питающего напряжения. Эта цель достигается тем, что в ферродиодном способе стабилизации напряжения путем насыщения магнитопровода ферромагнитных элементов (дросселей) за счет намагничивания постоянным током, находящимся в фазе с основным потоком, созданным входным напряжением, намагничивание осуществляется плавным уменьшением постоянного тока от максимума до нулевого значения, изменением его полярности и новым ростом до максимального значения при изменении входного напряжения от минимального значения до максимального.

При этом в устройстве для осуществления ферродиодного способа стабилизации напряжения, содержащем диоды, ферромагнитные элементы: трансформаторы и парные дроссели, где на сердечниках парных дросселей расположены входные обмотки и обмотки намагничивания постоянным током, обмотки намагничивания постоянным током включены на задающее напряжение, обеспечивающее требуемое изменение тока, и соединены последовательно-согласно, а входные обмотки парных дросселей соединены между собой параллельно-согласно, при этом одни концы обмоток включены одна на анод, а другая на катод двух диодов, свободные зажимы которых соединены между собой и подключены к зажиму входной обмотки одного из двух трансформаторов и к общей линии вход-выход, другой зажим этой обмотки подключен к общей точке соединения оставшихся концов входных обмоток парных дросселей и концу входной обмотки второго трансформатора, другой конец которой соединен последовательно-согласно с концом выходной обмотки этого трансформатора и зажима питающего напряжения, второй же конец выходной обмотки этого трансформатора соединен последовательно-встречно с концом выходной обмотки первого трансформатора, второй конец которой соединен со вторым выходным зажимом.

Сущность предлагаемого способа и устройства для его осуществления поясняется на чертеже, на котором представлена электрическая схема стабилизатора напряжения, где:

ДУ - дроссель управления (насыщения)

W1 - входные обмотки дросселя

I1 - ток входной обмотки W1

Wd - обмотки намагничивания постоянным током

D1, D2 - диоды

Uзад - задающее напряжение, обеспечивающее требуемое изменение тока намагничивания

Id - постоянный ток намагничивания

ВТ - выходной трансформатор

W3 - входная обмотка Вт

W4 - выходная обмотка Вт

ТВН - трансформатор встречного напряжения

W5 - входная обмотка ТВН

W6 - выходная обмотка ТВН

Zн - активно-индуктивная нагрузка стабилизатора

0 - нулевой провод

А - фазный провод

При минимальном входном напряжении Uзад обеспечивает максимальное значение тока намагничивания Id. Так как входные обмотки W1 управляемых дросселей насыщения ДУ соединены с диодами D1 и D2, то к ним прикладывается по одной половине питающего напряжения. По обмоткам W1 протекает однополупериодный постоянный ток I1. МДС токов I1 и Id совпадают по направлению, и при достаточной величине тока Id создается полное насыщение сердечников обоих дросселей, при котором их индуктивное сопротивление практически равно нулю. Так как входная обмотка W3 выходного трансформатора ВТ соединена последовательно с парными дросселями ДУ, то все входное напряжение прикладывается к этой обмотке. За счет выходной обмотки W4 выходного трансформатора происходит увеличение входного напряжения до номинального значения. Входная обмотка W5 трансформатора встречного напряжения подключена к парным дросселям, но так как падение напряжения на дросселях ДУ равно нулю, то и на выходной обмотке W6 трансформатора ТВН напряжение также равно нулю. И хотя обмотки W4 и W6 включены встречно, выходное напряжение остается без изменения и равно номинальному значению.

С ростом входного напряжения ток намагничивания Id начинает уменьшаться согласно действию задающего напряжения Uзад. Это приведет к росту индуктивного сопротивления парных дросселей ДУ. В результате уменьшается напряжение на обмотке W3, а значит, и на W4. Кроме того, увеличится напряжение на обмотках W5 и W6 трансформатора ТВН. Величина Id должна быть такой, чтобы насколько увеличилось входное напряжение, настолько же оно уменьшилось за счет трансформаторов ВТ и ТВН. В результате выходное напряжение не изменяется и остается равным номинальному значению. Трансформатор ТВН необходим для корректировки процесса регулирования: он позволяет улучшить точность работы стабилизатора напряжения.

При более значительном росте входного напряжения ток Id достигает нулевого значения, а затем изменяет свою полярность. При этом парные дроссели ДУ полностью выходят из насыщенного состояния. Их индуктивное сопротивление значительно возрастает. На обмотке W3 падает ничтожно малое напряжение. В этом случае начинает действовать только одна обмотка W6 трансформатора встречного напряжения. Благодаря действию этой обмотки выходное напряжение остается на уровне номинального значения.

Если входное напряжение начнет снова уменьшается, регулировочный процесс пойдет в обратном порядке.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №756569, кл. Н 02 М 5/16, 1980.

2. Основы преобразовательной техники. Гл. 12, с.375. И.М.Чиженко, В.С.Руденко, В.И.Сенько, Москва, «Высшая школа», 1974.