Стабілізатор напруги мережі

1. Стабілізатор напруги мережі, що містить автотрансформатор з відводами обмотки, мікроконтролер, вихід якого підключено до схеми керування симисторами, симистори, схему керування симисторами, яка з'єднує мікроконтролер з симисторами, світлову сигналізацію на світлодіодах, підключених до виходу мікроконтролера, конденсатори та резистори, який відрізняється тим, що використовують тороїдальний автотрансформатор. 2. Стабілізатор за п.1, який відрізняється тим, що гальванічна розв'язка схеми мікроконтролерного керування з силовою частиною стабілізатора виводиться від окремого трансформатора живлення. 3. Стабілізатор за п.1, який відрізняється тим, що керування симисторними ключами здійсню U 2 33082 1 3 рматор гальванічної розв'язки, стабілітрону та діодного випрямляча паралельно до вказаної вторинної обмотки вольтопідвищуючого трансформатора. Відомий імпульсний стабілізатор перемінної напруги [патент RU №2246127, кл. G05F1/20, 2005p.]. Винахід відноситься до області електротехніки, зокрема до пристроїв живлення радіоелектронної апаратури та обчислювальної техніки. В основі дії стабілізатора лежить принцип перетворення мережевої напруги в послідовність модульованих за шириною імпульсів з частотою, в багато разів перевищуючу частоту мережі, та виділення фільтром першої гармоніки, амплітуда якої пропорційна скважності імпульсів. Остання ж регулюється залежно від розузгодження абсолютних величин опорного синусоїдальної напруги та вихідної напруги. На противагу відомому імпульсному стабілізатору запропонований забезпечує технічний результат - правильна дія в обох півперіодах напруги мережі, легші умови роботи транзисторного ключа та кращу форму вихідної напруги. Досягнуто це за рахунок подачі на орган управління опорної та вихідної напруги через двонапівперіодні схеми випрямляння, використовування як імпульсного регулюючого елементу двох працюючих у протифазі транзисторних ключів, широтної модуляції тільки напруги вольтдодатку та надання інтегруючих властивостей управляючому елементу. Відоме стабілізоване джерело живлення [патент RU №2159460, Кл. G05F3/16, Н02М7/06, 2000p.]. Винахід відноситься до стабілізованих джерел живлення мережі та може використовуватись у приладобудуванні та в побутовій техніці. Запропонований пристрій має перевагу у випадках, коли вимагається скорочення часу готовності до роботи після вмикання, а також за необхідності мініатюризації, що є технічним результатом. Стабілізоване джерело живлення містить джерело однофазного перемінного струму, активний та реактивний опір, трьохфазний випрямляючий міст, лінійний стабілізатор. Перший вихід джерела однофазного перемінного струму підключено до першого входу трьохфазного випрямляючого мосту, другий вихід джерела однофазного перемінного струму через активний та через реактивний опір під'єднано відповідно до другого та до третього входам трьохфазного випрямляючого мосту, а паралельно виходу останнього підключено лінійний стабілізатор. Відомий пристрій для захисту споживача від підвищеної та пониженої напруги в мережі перемінного струму [патент RU №2136097, кл. Н02Н3/20, Н02Н3/24, 1999г.]. Пристрій призначено для автоматичного відключення побутових електроприладів при відхиленні напруги мережі як в більшу, так і в меншу сторону вище допустимих меж, а також включення їх із затримкою після відновлення напруги мережі. Пристрій містить випрямляючий міст, виконавчий елемент, пороговий вузол, два стабілізатора напруги та дільник напруги мережі, вузол контролю напруги мережі, формувач імпульсів, лічильник імпульсів, вузол індикації та вузол управління. Технічний резуль 33082 4 тат: миттєве відключення споживача від мережі при зміні напруги нижче 170В та вище 250В і включення споживача з затримкою 5 хвилин при відновленні напруги мережі вище 170В та нижче 250В. Найближчим за своїми технічними характеристиками до заявленого стабілізатора та обраним за прототип, є стабілізатор мережевої напруги з мікроконтролерним управлінням, [схема якого опублікована у статті С. Корякова «Стабілізатор мережевої напруги з мікроконтролерним управлінням» у журналі «Радіо» №8 за 2002 рік на ст.26-29]. Пристрій призначено для стабілізації напруги мережі та захисту споживача від підвищеної та пониженої напруги. [Схеми та опис цього пристрою показані на рис. 1-4 доданого до заяви прототипу, описаного у статті С.Корякова «Стабілізатор напруги мережі з мікроконтролерним управлінням»] Працює прототип за принципом ступінчатої корекції напруги, що здійснюється переключенням відводів обмотки автотрансформатора за допомогою симисторних ключів під управлінням мікроконтролера (МК), який слідкує за рівнем напруги в мережі (UBX). Залежно від його величини виводи автотрансформатора переключаються таким чином, щоб напруга на виході стабілізатора знаходилась в допустимому діапазоні. Для запобігання безладного переключення симисторів у випадку, якщо напруга мережі знаходиться на порозі переключення відводів автотрансформатора, в програму введено деякий «гістерезис» у спрацюванні. У випадку, якщо мережева напруга змінилася нижче або вище допустимого, контрольоване навантаження буде відключено через деякий час та засвітиться відповідний світлодіод. Після того як напруга в мережі повернеться до норми, МК протягом 15 сек. проводить контрольні замірювання його рівня. Якщо по закінченню цього часу мережева напруга не виходила за вказані межі, то живлення на навантаження буде подано. Аналіз технічних характеристик розглянутих вище відомих пристроїв для стабілізації мережевої напруги показав наявність вагомих недоліків: - призначені для малопотужних вторинних джерел живлення; - малий діапазон вхідної напруги; - висока величина відхилення вихідної напруги від номінальної; - малий ККД; - низька точність вимірювання вхідної напруги; - залежність від характеру навантаження (активне, індуктивне, змішане). В основу корисної моделівлення, вищої надійності, на різні струми навантаження, із захистом PEA від перепадів напруги та високовольтних перешкод. Поставлене технічне завдання досягається тим, що стабілізатор мережевої напруги складається з наступних функціональних вузлів : - автотрансформатора; - блоку живлення; 5 - понижуючих трансформаторів вхідної та вихідної напруги; - блоку симисторних ключів; - мікроконтролера; - дешифраторів; - схеми управління симисторними ключами; - схеми аналізу стану симисторів; - блоку індикації; - датчиків струму та температури; - перемикача режиму «транзит». Відмітною особливістю заявленої корисної моделі від прототипу є ряд суттєвих змін та нововведень: 1. використовування замість броньового силового вольтододавального автотрансформатора тороїдального автотрансформатора. Це обумовлено рядом переваг, таких як низький коефіцієнт нелінійних спотворень, високий ККД, менший об'єм та вага при рівній потужності, досить мале зовнішнє магнітне поле та поле розсіювання, менший струм холостого ходу та значно менший рівень шуму; 2. гальванічна розв'язка схеми мікроконтролерного управління з силовою частиною стабілізатора завдяки використанню окремого трансформатора живлення; 3. управління симисторними ключами відбувається за рахунок подачі фіксованої постійної напруги на управляючий електрод з використанням оптотранзистора та силового ключа на транзисторі замість оптодинисторної пари та діодного мосту, що виключило вплив характеру навантаження на роботу стабілізатора; 4. використовування схеми аналізу стану симисторних ключів, що подає сигнал дозволу на МК для включення симистора, що дозволило виключити можливість їх одночасної роботи; 5. замість МК PIC16F84A застосовано функціональніший МК PIC16F877A-1/P; 6. передбачений перемикач режиму «транзит»; 7. відображення режимів роботи та індикація величини вхідної та вихідної напруги, що споживається навантаженням потужності та температури всередині стабілізатора здійснено на РКІ AC162DGI LY75H-A; 8. світлова індикація захисту за напругою, струмом та температурою. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де зображено: на Фіг.1 - функціональна схема стабілізатора мережевої напруги; на Фіг.2 - принципова схема стабілізатора мережевої напруги. Як показано на Фіг.1 та Фіг.2, заявлений стабілізатор мережевої напруги містить мікроконтролер ІС1 з оригінальною програмою прошивки, три стабілізатори підживлюючої напруги +5 вольт ST 1,2,4 и одного +12 вольт ST3, дешифратори DD1,2, схеми безпосереднього управління симисторами та аналізу їх стану, трансформатори вхідної Тr2 та вихідної Тr3 напруги, силовий автотрансформатор Тr4. 33082 6 Після включення автомату QF1 напруга мережі надходить до трансформаторів Тr1, Тr2 та автотрансформатор Тr4. Схема живиться від понижуючого трансформатора Тr1, який має первинну обмотку, розраховану на 380 вольт, та три вторинних на 30 вольт (при вхідній напрузі 380В). Підживлюючі напруги поступають на випрямляючі мости VDS1-VDS3, згладжуючі конденсатори С1-С3 та стабілізатори ST1- ST3. Живлення +5 вольт для мікросхем ІС1, DD1,2 отримуємо від стабілізатора ST4 підключеного на вихід ST3 +12 вольт, а гальванічнорозв'язане живлення +5 вольт для схеми управління ключами та схеми аналізу стану симисторів з виходів ST1, ST2 відповідно. Усі напруги +5 вольт стабілізовані в діапазоні 100...380 вольт мережевої напруги. Заявлений стабілізатор працює наступним чином. Напруга з вторинної обмотки трансформатора Тr2 аналізу вхідної напруги через ланцюг R1, R2 надходить до входу мікроконтролера IС1. Мікроконтролер протягом 3 секунд аналізує стан мережі. Оскільки всі симистори закриті, то на його 6 ніжці присутні імпульси високого рівня, які надходять зі схеми аналізу стану симисторів та співпадають по фазі з напругою. Якщо величина мережевої напруги лежить в межах 135...275 вольт, то по закінченню 3 секунд відбувається включення одного із симисторів стабілізатора залежно від значення вхідної напруги і подача його на навантаження. При зміні величини мережевої напруги мікроконтролер знімає управляючу напругу з симистора. Його вимкнення та ввімкнення наступного відбувається по фронту імпульсу, який зсовується по фазі, якщо стабілізатор в момент переключення навантажений на комплексне активно-реактивне навантаження. Таким чином, переключення відбувається у точці переходу струму через нуль. Якщо відкритий хоча б один симистор, то зі схеми аналізу стану симисторів надходить стабільно низький рівень, який сигналізує, що якийсь із симисторів відкритий та забороняє переключення зі ступеня на ступень до моменту закриття усіх симисторів. Якщо після переходу мережевої напруги на інший пороговий інтервал протягом 10 періодів зі схеми аналізу стану симисторів не приходить імпульс дозволу та синхронізації, що свідчить або про вихід з ладу датчика, або про пробій одного з симисторів, тоді схема переходить в "режим захисту" та знеструмлюється навантаження. Таким чином, здійснюється контроль за станом симисторів, який унеможливлює одночасне включення ступенів. Мікроконтролер формує двоїстий код, який надходить на дешифратори-мультиплексори DD1, DD2. З їх виходів можливий лише один сигнал управління, який надходить на один із світло діодів HL5-HL19 та оптотранзистор U2-U16, а потім з колектора транзистора VT10-VT24 через струмообмежуючий резистор R71-R85 на управляючий електрод відповідного до цього коду симистора VS1-VS15. Індикація величини вхідної, вихідної напруги та потужності, що передається у навантаження, а 7 також температури симисторів та режимів роботи мікроконтролера здійснюється на РК- індикаторі GK1. Терморезистор R6 служить для вимірювання температури та управління вентилятором Cool1 охолодження симисторів. Датчик струму В1 ввімкнено послідовно з навантаженням та формує пропорціональний сигнал, який використовується для струмового захисту симисторів та індикації потужності, що споживається. Інформація про величину вихідної напруги надходить з понижуючого трансформатора Тr3 через ланцюг R3, R4 на вхід мікроконтролера ІС1. Світлодіоди HL1-HL4 через ключі на VT2-VT5 підключені до виходів мікроконтролера та сигналізують про захист стабілізатора по нижній, верхній вхідній напрузі, високій температурі та струму симисторів відповідно. В результаті здійснення заявленої корисної моделі отримуємо пристрій, який забезпечує стабільне електроживлення приладів, що захищаються, та систем в діапазоні 220 вольт ±5% з постійною максимальною вихідною потужністю в усьому діапазоні (135...275 вольт) номінальної вхідної мережевої напруги. Забезпечується їх 33082 8 захист від кидків напруги, автоматичне відновлення електроживлення після захисту та збереження працездатності усіх видів блоків живлення апаратури, побутових приладів та систем при зміні напруги в мережі, при відключені та включенні електроенергії, а також при проходженні високовольтної перешкоди. Даний стабілізатор мережевої напруги має наступні переваги: - широкий діапазон вхідної напруги у режимі стабілізатора (135...275 вольт); - номінальна потужність навантаження на всьому діапазоні робочої напруги; - висока точність стабілізації вихідної напруги при зміні вхідної (±5% від номінальної); - високий ККД (98%); - перевантажувальна здібність (10% - 30сек.; 100% - 1сек.); - низька споживана потужність на холостому ході (менше 40Вт); - неспотворена форма вихідної напруги; - висока швидкість реакції на збурення мережі (300В/с); - низький рівень шуму (менше 40дБ). - індикація величини вхідної та вихідної напруги, потужності навантаження, температури симисторів та захисту на РКІ та світлодіодах. 9 Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 33082 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601