Стабілізатор змінної напруги

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для стабилизации напряжения питания радиоэлектронной аппаратуры, питающейся от сети с большим диапазоном изменения напряжения и, в частности, для питания средств автоматизации на буровых установка с нестабильным напряжением электросети. Известно устройство для стабилизации напряжения [1], недостатками которого являются: низкая надежность, обусловленная тем, что последовательно с нагрузкой включена резистивно-транзисторная цепь, которая уменьшает КПД устройства, особенно при больших токах нагрузки, а при токах, близких к порогу срабатывания, известное устройство сильно перегревается; низкое быстродействие из-за большой инерционности; отсутствие автоматического вхождения в рабочий режим после окончания короткого замыкания, что создает серьезные неудобства при большом удалении от средств управления. Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство стабилизации напряжения питания электропотребителя [2], содержащее автотрансформатор с секционированной обмоткой, отводы и крайние выводы которой через соответствующие коммутирующие элементы подключены к входным выводам, и блок управления, первый вход которого соединен с входными выводами, а выходы - с управляющими входами соответствующи х коммутирующи х элементов. Недостатком известного устройства является его низкая надежность, обусловленная тем, что в нем отсутствует защита о т токов короткого замыкания. Изобретение ставит своей задачей создание такого стабилизатора переменного напряжения, в котором путем защиты от случайных или намеренных кратковременных или длительных перегрузок по выходному току и быстрым автоматическим вхождением в рабочий режим после прекращения перегрузки повысилась бы надежность. Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в повышении надежности стабилизатора за счет предотвращения выхода из строя его элементов при их перегрузке, сокращении простоев стабилизатора и питаемого им оборудования благодаря тому, что он остается неповрежденным и имеет режим самовосстановления после исчезновения перегрузки. Для выполнения поставленной задачи в стабилизатор, содержащий автотрансформатор с секционированной обмоткой, отводы и крайние выводы которой через соответствующие коммутирующие элементы подключены к входным выводам, и блок управления, первый вход которого соединен с входными выводами, а выходы - с управляющими входами соответствующи х коммутирующих элементов, согласно изобретению введен бок защиты, токоограничивающий дроссель и трансформатор тока, а блок управления снабжен вторым и третьим входами, cоединенными соответственно с первым и вторым выходами блока защиты, причем блок защиты выполнен на первом и втором пиковых детекторах, формирователе синхронизирующего сигнала типа "меандр" с линейно-нарастающими по абсолютной величине вершинами, первом и втором формирователях сигналов запуска и понижающем трансформаторе, при этом выходная секция обмотки автотрансформатора через соединенные последовательно токоограничивающий дроссель и первичную обмотку трансформатора тока подключена к выходным выводам, первый вход блока защиты соединен с вторичной обмоткой трансформатора тока. а второй вход - с входными выводами, входы пиковых детекторов использованы в качестве первого входа блока защиты, первичная обмотка понижающего трансформатора использована в качестве второго входа блока защиты, первый и второй формирователи сигналов запуска выполнены соответственно на первом операционном усилителе, первом, втором, третьем, четвертом и пятом резисторах и на втором операционном усилителе, шестом, седьмом, восьмом, девятом и десятом резисторах, причем выходы первого и второго операционных усилителей, соединенные соответственно через первый и шестой резисторы с их неинвертирующими входами, использованы в качестве соответственно первого и второго выходов блока защиты, вход формирователя синхронизирующего сигнала типа "меандр" с линейно-нарастающими по абсолютной величине вершинами подключен к вторичной обмотке понижающего трансформатора, а выход через второй и седьмой резисторы соединен с инвертирующими входами соответственно первого и второго операционных усилителей, вы ход первого пикового детектора через третий и девятый резисторы подключен к инвертирующему и неинвертирующему входам соответственно первого и второго операционных усилителей, вы ход второго пикового детектора через пятый и восьмой резисторы соединен с неинвертирующим и инвертирующие входами соответственно первого и второго операционных усилителей, первые выводы четвертого и десятого резисторов подключены к неинвертирующим входам соответственно первого и второго операционных усилителей, а вторые выводы четвертого и десятого резисторов соединены с общей шиной блока защиты. Заявленное устройство выдерживает без повреждения перегрузки и режим короткого замыкания по выходу; имеет высокое быстродействие - один полупериод частоты входного напряжения; обеспечивает независимость выходного напряжения от частоты; при ликвидации короткого замыкания автоматически входит в нормальный режим работы. Все это значительно повышает его надежность и обеспечивает: качественное электроснабжение средств автоматики и вычислительной техники: гарантированное нормированное электропитание в районах с дизельными и газотурбинными электростанциями; надежную эксплуатацию и увеличение срока службы всех средств автоматики, бытовой техники и ЭВМ, чувствительны к изменению напряжения электросети. На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема устройства; на фиг. 2 - электрическая схема блока защиты; на фиг. 3 - диаграмма напряжений, поясняющая работу стабилизатора. Устройство (фиг. 1) содержит автотрансформатор 1 с секционированной обмоткой 2.1-2.n, отводы и крайние выводы которой подключены к входным выводам через соответствующие коммутирующие элементы 3.1-3.n, блок 4 управления, выходы которого соединены с управляющими входами соответствующи х коммутирующи х элементов 3.1-3.n, первый вход - с входными вы водами, а второй и третий входы - соответственно c первым и вторым выходами блока 5 защиты, первым входом подключенного к вторичной обмотке трансформатора 6 тока, а вторым входом - к входным выводам, выходная секция обмотки автотрансформатора 1 через соединенные последовательно токоограничивающий дроссель 7 и первичную обмотку трансформатора 6 тока подключена к выходным выводам. Блок 4 управления может быть выполнен в виде выпрямителя, задатчика напряжений, пороговых элементов. Блок 5 защиты (фиг. 2) содержит пиковый детектор 8 отрицательных сигналов и пиковый детектор 9 положительных сигналов, формирователь 10 синхронизирующего сигнала типа "меандр" с линейнонарастающими по абсолютной величине вершинами, формирователи 11, 12 сигналов запуска и понижающий трансформатор 13. Пиковые детекторы 8 и 9 и формирователи 10, 11, 12 собраны на операционных усилителя х и электронных элементах. По входу пиковые детекторы 8, 9 подключены к вторичной обмотке трансформатора 6 тока, по выходу детектор 8 отрицательных сигналов через резистор R3 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 14 формирователя 11 сигналов запуска и через резистор R9 - с инвертирующим входом операционного усилителя 15 формирователя 12 сигналов через резистор R8 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 15 формирователя 12 сигналов запуска и через резистор R5 к неинвертирующему входу операционного усилителя 14 формирователя 11 сигналов запуска, формирователь 10 синхронизирующего сигнала по входу подключен к вторичной обмотке понижающего трансформатора 13, первичная обмотка которого соединена с входными выводами, выход формирователя 10 синхронизирующего сигнала через резисторы R2 и R7 подключен к инвертирующим входам операционных усилителей 14 и 15, соответственно, выходы которых подключены к соответствующим входам блока 4 управления. Между инвертирующими входами и выходами операционных усилителей 14 и 15 включены резисторы соответственно R1 и R6. Кроме того, неинвертирующие входы операционных усилителей 14 и 15 соответственно через резисторы R4 и R10 подключены к общей шине блока защиты. Стабилизатор работает следующим образом. Входное напряжение подается на коммутирующие элементы 3.1-3.n и на один из входов блока 4 управления. В блоке 4 управления оно выпрямляется и сравнивается с n-пороговыми опорными напряжениями. В зависимости от величины выпрямленного напряжения сети включается один из коммутирующи х элементов 3.13.n. При этом входное напряжение поступает на один из входных отводов автотрансформатора 1. Витки входных отводов автотрансформатора 1 рассчитаны так, что напряжение на выходном отводе автотрансформатора 1 находится в заданных пределах при возможно широком изменении входного напряжения. Напряжение с выходного отвода автотрансформатора 1 через последовательно соединенные токоограничивающий дроссель 7 и первичную обмотку трансформатора 6 тока поступает на выход устройства. Если выходной ток устройства находится в нормальных пределах, то моменты включения коммутирующи х элементов 3.1-3.n совпадают с моментами перехода входного напряжения через ноль, и устройство не изменяет формы входного напряжения. При превышении величиной выходного тока некоторого заданного значения коммутирующие элементы 3.1-3.n включаются блоком 5 защиты с задержкой по отношению к началу каждого полупериода входного напряжения. Блок 5 защиты работает следующим образом. Входное напряжение Uвх. (фиг. 3) через понижающий трансформатор 13 подается на формирователь 10 синхронизирующего сигнала. Выходные сигналы Uc формирователя 10 синхронизирующего сигнала подаются на инвертирующие входы операционных усилителей 14 и 15 формирователей 11,12 сигналов запуска. На эти же входы подаются сигналы напряжения постоянного тока UD и UF, пропорциональные величинам отрицательной и положительной волн сигналов трансформатора 6 тока от пиковых детекторов 8 и 9 соответственно. Сигнал UD от пикового детектора 8 отрицательных сигналов подается на инвертирующий вход операционного усилителя 14 формирователя 11 сигналов запуска, а сигнал UF от пикового детектора 9 положительных сигналов подается на инвертирующий вход операционного усилителя 15 формирователей 12 сигналов запуска. Такое подключение пиковых детекторов 8 и 9 позволяет воздействовать симметрично (при соответствующи х соотношениях резисторов) на оба формирователя 11 и 12 сигналов запуска независимо от полярности импульсов тока нагрузки при коротком замыкании. Когда ток нагрузки стабилизатора равен нулю, сигналы UD и UF на выходах пиковых детекторов 8 и 9 практически равны нулю и не оказывают влияния на работу формирователей 11 и 12 сигналов запуска. Один из коммутирующи х элементов 3.1-3.n включается положительным фронтом сигнала UA и отрицательным фронтом сигнала Ив формирователей 11, 12 сигналов запуска. При увеличении тока нагрузки стабилизатора на выходах пиковых детекторов 8 и 9 увеличиваются по абсолютной величине сигналы U и UF, которые воздействуют на формирователи 11 и 12 сигналов запуска. Защитой от этого воздействия является напряжение, величина которого определяется по формуле: UF - UD , K где К - постоянный коэффициент, определяемый соотношениями резисторов схемы блока 5 защиты. Эта величина показана на диаграмме Uc пунктирными линиями. Формирователи 11, 12 сигналов запуска входят в активные области при пересечении пунктирных линий с соответствующими участками кривой Uc (для формирователя 11 сигналов запуска в моменты времени 2, 4 и т.д., а для формирователя 12 сигналов запуска - с момента времени 3, 5 и т.д.). Очевидно, что пока пунктирные линии будут пересекать сигналы Uc на его вертикальных участках, что происходит при изменении тока нагрузки в допустимых пределах, формы сигналов UA и UB на выходах формирователей 11 и 21 сигналов запуска не изменяются. При входе в режим короткого замыкания пунктирные линии на диаграмме Uc будут пересекать сигнал Uc в точках наклонных вершин, как уже описано выше. При этом напряжение на выходах формирователей 11, 12 сигналов запуска будет иметь формы UA' и UB' , а один из коммутирующи х элементов 3.1-3.n будет пропускать на выход стабилизатора только неполные полупериоды напряжения сети (q 2 -t 2 , q 4 - t 4 и q 3- t 3 , q 5- t 5 ), и ток нагрузки снизится. При полном коротком замыкании по выходу образуются короткие импульсы тока нагрузки, ограниченные по величине токоограничивающим дросселем 7, период повторения которых определяется постоянными времени разряда конденсаторов пиковых детекторов 8 и 9. В таком состоянии стабилизатор может находиться неограниченное время. При ликвидации короткого замыкания стабилизатор автоматически входит в нормальный режим работы по мере разряда конденсаторов пиковых детекторов 8 и 9. Таким образом, за счет введения в предложенный стабилизатор блока защиты, соединенного с другими блоками и выполненного согласно формуле изобретения, достигается значительное повышение надежности его работы, так как он выдерживает без повреждения режим перегрузки и режим короткого замыкания по выходу; имеет высокое быстродействие, обеспечивает независимость выходного напряжения от частоты; при ликвидации короткого замыкания автоматически входит в нормальный режим работы.