Результат интеллектуальной деятельности: СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах электропитания, в частности в стабилизаторах переменного напряжения.

Известен стабилизатор переменного напряжения (RU 2158954, G05F 1/30, H02M 5/12, опубл. 10.11.2000), содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через коммутирующий блок, содержащий коммутирующие элементы, подключена к выводам для подключения входного напряжения. Коммутирующий блок выполнен в виде двух замыкающих и двух размыкающих контактов. Первичная обмотка трансформатора подключена параллельно вторичной через размыкающие контакты, последовательно с которыми включены замыкающие контакты, одноименные выводы которых соединены между собой. Параллельно ограничительному резистору, включенному между нулевым проводом и замыкающими контактами, включен замыкающий контакт третьего промежуточного реле.

Недостатком данного устройства являются значительные коммутационные токи, возникающие не только при переключениях контактов коммутирующего блока, но и при замыкании контакта третьего промежуточного реле, шунтирующего ограничительный резистор.

Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является стабилизатор переменного напряжения (RU 2483343, G05F 1/00, опубл. 27.05.2013), содержащий коммутирующий блок, состоящий из коммутирующих реле, токоограничительный резистор и трансформатор. Вторичная обмотка трансформатора включена в цепь нагрузки, первый вывод токоограничительного резистора подключен к нейтральному проводу электросети, коммутирующий блок выполнен в виде трех переключающих реле.

Недостатком ближайшего аналога является резкое повышение в переходном процессе тока в первичной обмотке трансформатора при шунтировании контактами реле токоограничивающего резистора. Это обусловлено не только снижением сопротивления цепи за счет шунтирования токоограничивающего резистора, но и значительным снижением индуктивности трансформатора в переходном процессе. Так как при подаче напряжения на первичную обмотку трансформатора через токоограничивающий резистор к первичной обмотке трансформатора прикладывается меньшее напряжение, чем при непосредственной подаче напряжения, то справедливо неравенство: B_м>B, где B_м и B - амплитудные значения индукции в магнитопроводе трансформатора в установившихся режимах при подаче напряжения сети непосредственно на первичную обмотку трансформатора и через токоограничивающий резистор. При совпадении моментов шунтирования токоограничивающего резистора с моментами перехода напряжения питающей сети через ноль возникают наибольшие всплески тока намагничивания трансформатора. Например, если момент шунтирования резистора совпадает с моментом перехода напряжения сети из отрицательного значения в положительное, то значение индукции в магнитопроводе трансформатора в момент коммутации имеет отрицательное значение, равное -B, т.к. при синусоидальном законе изменения напряжения сети индукция в трансформаторе тоже изменяется по синусоидальному закону, но отстает по фазе от напряжения сети на угол π/2.

Под действием следующей после коммутации положительной полуволны напряжения сети, прикладываемого непосредственно к первичной обмотке трансформатора, индуктивность в магнитопроводе изменится на величину 2B_м и достигнет наибольшего значения B_наиб=-B+2B_м. Учитывая, что B_м>B, следовательно, B_наиб>B_м. Т.к. амплитуда индукции предельной петли гистерезиса B_м близка по величине к индукции насыщения магнитопровода трансформатора, то при индукции в магнитопроводе, равной B_наиб, возникает его насыщение и, как следствие, резкое увеличение тока намагничивания трансформатора. Затухание всплеска тока намагничивания происходит довольно медленно, т.к. мощные трансформаторы имеют большую постоянную времени. Завышенное значение тока намагничивания вызывает дополнительные потери мощности как в первичной обмотке, так и в магнитопроводе трансформатора и, как следствие, дополнительный их нагрев.

Изобретение решает задачу повышения кпд устройства за счет снижения динамических потерь электроэнергии.

Это достигается тем, что в стабилизаторе переменного напряжения, содержащем коммутирующий блок с коммутирующими реле, токоограничительный резистор, первый вывод которого подключен к нейтральному проводу электросети, и трансформатор, первый вывод вторичной обмотки которого подключен к фазному проводу электросети, а второй вывод - к нагрузке, коммутирующий блок содержит полупроводниковый ключ между вторым выводом первичной обмотки трансформатора и нейтральным проводом электросети и два коммутирующих реле, первое реле имеет нормально замкнутые контакты, которые подключены к первому и второму выводам первичной обмотки трансформатора, второе реле имеет нормально разомкнутые контакты, которые включены между вторым выводом токоограничивающего резистора и вторым выводом первичной обмотки трансформатора, при этом первый вывод первичной обмотки трансформатора соединен с первым выводом вторичной обмотки трансформатора.

Наличие полупроводникового ключа позволяет плавно увеличивать напряжение на первичной обмотке трансформатора при шунтировании токоограничивающего резистора, что устраняет насыщение магнитопровода трансформатора в переходных процессах.

Следствием такого технического результата является снижение динамических потерь электроэнергии, обусловленных всплесками тока намагничивания трансформатора, и повышение кпд устройства.

Сущность изобретения поясняется структурной схемой стабилизатора, показанной на фиг. 1.

Стабилизатор переменного напряжения содержит коммутирующий блок 1, токоограничительный резистор 2 и трансформатор 3, первый вывод вторичной обмотки 4 которого подключен к фазному проводу электросети, а второй вывод - к нагрузке, первый вывод токоограничительного резистора 2 подключен к нейтральному выводу N электросети, а коммутирующий блок 1 содержит полупроводниковый ключ 5 и два коммутирующих реле, контакты 6 первого коммутирующего реле подключены к первому и второму выводам первичной обмотки 7 трансформатора, первый вывод которой соединен с первым выводом вторичной обмоткой трансформатора 4, контакты 8 второго коммутирующего реле включены между вторым выводом токоограничивающего резистора 2 и вторым выводом первичной обмотки трансформатора 7, между которым и нейтральным выводом N электросети включен полупроводниковый ключ 5.

Стабилизатор переменного напряжения работает следующим образом.

В исходном состоянии, как показано на фиг. 1, полупроводниковый ключ 5 заперт, контакты первого коммутирующего реле 6 нормально замкнуты, а контакты второго коммутирующего реле 8 нормально разомкнуты. Это соответствует допустимому для нагрузки уровню напряжения на входе U_вх стабилизатора. Выводы первичной обмотки 7 трансформатора 3 через замкнутые контакты 6 первого коммутирующего реле закорочены. При этом ЭДС вторичной обмотки 4, а также ее активное и индуктивное сопротивления весьма малы, и напряжение на выходе U_Bвых стабилизатора практически равно напряжению на его входе U_вх.

При увеличении напряжения на входе стабилизатора U_вх, а следовательно, и на его выходе U_вых, превышающем допустимое для нагрузки значение, контакты 8 второго коммутирующего реле замыкаются. Ток через одновременно замкнутые контакты 6 первого и контакты 8 второго коммутирующих реле ограничивается резистором 2. После чего контакты 6 первого коммутирующего реле размыкаются, и осуществляется включение полупроводникового ключа 5 с плавным снижением величины угла задержки включения от π до 0. Обеспечивается плавное снижение сопротивления в цепи первичной обмотки 7 трансформатора 3 и плавное нарастание среднего значения напряжения, приложенного к первичной обмотке 7. Это устраняет всплески тока намагничивания магнитопровода трансформатора, существенно улучшает энергетические показатели переходного процесса. При нулевом угле задержки включения полупроводникового ключа первичная обмотка 4 трансформатора подключается на полное напряжение питающей электросети. Во вторичной обмотке 7 трансформатора 3 наводится эдс, которая снижает напряжение на нагрузке до допустимого уровня.

Если напряжение на входе U_вх стабилизатора возвращается в исходное состояние, то коммутация осуществляется в следующей последовательности: замыкаются контакты 8 второго коммутирующего реле, полупроводниковый ключ 5 запирается, контакты 6 первого коммутирующего реле замыкаются, контакты 8 второго коммутирующего реле размыкаются. Устройство возвращается в исходное состояние.

Полупроводниковый ключ, шунтирующий последовательно соединенные контакты второго коммутирующего реле и токоограничивающий резистор, позволяет в режиме фазового управления плавно увеличивать напряжение на первичной обмотке трансформатора и тем самым устранить броски тока намагничивания трансформатора.

На фиг. 1 приведена схема стабилизатора со встречным включением обмоток трансформатора, осуществляющего понижение напряжения на нагрузке. Если обмотки трансформатора включить согласно, то получится схема стабилизатора, осуществляющего повышение напряжения на нагрузке. В зависимости от требуемого диапазона регулирования напряжения осуществляется последовательное включение требуемого числа повышающих и понижающих трансформаторов.

Изобретение позволяет снизить динамические потери электроэнергии, обусловленные всплесками тока намагничивания трансформатора, и тем самым повысить кпд устройства.