Джерело живлення незмінного струму із стабілізацією напруги холостого ходу

Джерело живлення незмінного струму із стабілізацією напруги холостого ходу, що містить блок живлення нестабілізованої напруги, вихідні позитивна та корпусна негативна клеми якого зашунтовані першим конденсатором відповідно полярності його виводів та вхідними виводами інвертора, вихідні виводи якого зашунтовані послідовно з'єднаними лінійним дроселем та другим конденсатором, до спільної точки котрих і вільного виводу другого конденсатора підключена первинна обмотка трансформатора, виводи першої вторинної обмотки якого з'єднані відповідно з першим і другим вхідними виводами першого мостового випрямляча, вихідні виводи котрого зашунтовані навантаженням, другий мостовий випрямляч, вихідні позитивний та негативний виводи котрого підключені відповідно до позитивної та корпусної негативної клем блока живлення нестабілізованої напруги, а перший вхідний вивід цього мостового випрямляча під'єднаний до виводу другої вторинної обмотки трансформатора, що має позначку фазового маркування, яке відрізняється тим, що до нього додатково введені третя та четверта вторинні обмотки трансформатора, перший та другий комутаційні елементи, що мають по одному виводу U 2 (11) 1 3 Недоліком такого джерела живлення є те, що при збільшені опору навантаження до значення, відповідно близького до холостого ходу пристрою, недопустимо збільшується напруга на навантаженні. Найбільш близьким по технічній сутності до пристрою, що заявляється, є обрана як прототип однофазна система стабілізованого струму [2], що містить конденсаторний фільтр нестабілізованої напруги, який шунтує вхід транзисторного інвертора, вихідні виводи якого зашунтовані послідовно з'єднаними лінійним дроселем та конденсатором, до їх спільної точки і вільного виводу конденсатора підключена обмотка трансформатора, виводи першої вторинної обмотки якого з'єднані відповідно з першим і другим вхідними виводами першого мостового випрямляча, вихідні виводи котрого зашунтовані навантаженням, другий мостовий випрямляч, вихідні виводи котрого згідно з їх полярністю підключені до конденсаторного фільтра, а вхідні виводи другого мостового випрямляча підключені до другої вторинної обмотки трансформатора. Недоліком відомої однофазної системи стабілізованого струму є те, що напруга холостого ходу на навантаженні обмежується на заданому рівні лише при стабільній вхідній напрузі на конденсаторі фільтра. При зміні напруги на конденсаторі фільтра значення відсоткових відхилень напруги на ньому практично повторюються на виході пристрою при його режимі холостого ходу, що при зниженні напруги на конденсаторі фільтра призводить до зменшення напруги на навантаженні нижче номінальної, у зв'язку з чим пристрій стає непрацездатним і функціональні можливості пристрою обмежуються. При підвищенні напруги на конденсаторі фільтра зростає напруга на навантаженні, першому мостовому випрямлячі та трансформаторі, що може призвести до їх пробою та виходу з ладу, тим самим стає суттєво низькою надійність пристрою. Задачею пропонованої корисної моделі є створення джерела живлення незмінного струму із стабілізацією напруги холостого ходу, у якому шляхом введення третьої та четвертої вторинних обмоток трансформатора, першого та другого комутаційних елементів, що переключаються із нормально замкнутого до нормально розімкнутого станів і навпаки, схеми керування першим та другим ключами, а також першого та другого керуючих органів співвідносно першим та другим комутаційними елементами та відповідно введеним елементам нових зв'язків, досягається підвищення надійності та розширення функціональних можливостей пристрою. Зазначена задача вирішується за рахунок того, що в джерело живлення незмінного струму із стабілізацією напруги холостого ходу, що містить блок живлення нестабілізованої напруги, вихідні позитивна та корпусна негативна клеми якого зашунтовані першим конденсатором відповідно полярності його виводів та вхідними виводами інвертора, вихідні виводи якого зашунтовані послідовно з'єднаними лінійним дроселем та другим конденсатором, до спільної точки котрих і вільного виво 57985 4 ду другого конденсатора підключена первинна обмотка трансформатора, виводи першої вторинної обмотки якого з'єднані відповідно з першим і другим вхідними виводами першого мостового випрямляча, вихідні виводи котрого зашунтовані навантаженням, другий мостовий випрямляч, вихідні позитивний та негативний виводи котрого підключені відповідно до позитивної та корпусної негативної клем блока живлення нестабілізованої напруги, а перший вхідний вивід цього мостового випрямляча під'єднаний до виводу другої вторинної обмотки трансформатора, що має позначку фазного маркування, додатково введені третя та четверта вторинні обмотки трансформатора, перший та другий комутаційні елементи, що мають по одному виводу відповідно нормально замкнутого, чи відкритого, та нормально розімкнутого, чи закритого, стану цих комутаційних елементів відносно їх середніх виводів, причому вивід другої вторинної обмотки трансформатора, що не має позначки фазного маркування, з'єднаний з виводом третьої вторинної обмотки трансформатора, що має позначку фазного маркування, та з виводом нормально замкнутого стану першого комутаційного елемента, середній вивід та вивід нормально розімкнутого стану якого підключені відповідно до виводу нормально замкнутого стану другого комутаційного елемента, та до спільної точки виводів третьої і четвертої вторинних обмоток трансформатора, яким відповідно не визначена та визначена позначка фазного маркування, середній вивід та вивід нормально розімкнутого стану другого комутаційного елемента під'єднані відповідно до другого вхідного виводу мостового випрямляча та до виводу четвертої вторинної обмотки трансформатора, яка не має позначки фазного маркування, а також схема керування, перший та другий ключі, перший та другий керуючі органи, причому перші ключ та керуючий орган, другі ключ та керуючий орган відповідно з'єднані між собою послідовно, їх вільні виводи та виводи живлення схеми керування згідно з полярністю кожних із цих виводів підключені до позитивної та корпусної негативної клем блока живлення нестабілізованої напруги, перший та другий керуючі виходи схеми керування підключені відповідно до керуючих входів першого та другого ключів, а перший та другий керуючі органи мають електромеханічний, чи електричний, зв'язок відповідно з першим та другим комутаційними елементами. Порівняльний аналіз із прототипом показує, що джерело живлення незмінного струму із стабілізацією напруги холостого ходу, що заявляється, відрізняється наявністю нових елементів, а саме третьої та четвертої вторинних обмоток трансформатора, першого та другого комутаційних елементів, схеми керування, першого та другого ключів, першого та другого керуючих ключів, а також нових зв'язків, що полягають у відповідному з'єднані нових елементів зазначеним чином. Порівняння рішення, що заявляється, з іншими технічними рішеннями показує, що дискретне регулювання напруги за рахунок переключення секційних обмоток трансформатора відоме [3]. Однак введення двох секційних обмоток, двох комутацій 5 них елементів і зазначених нових зв'язків між цими елементами та з іншими елементами схеми виявляє нову властивість сукупності секційних обмоток, комутаційних елементів та відповідних їм зв'язків у пристрої. А саме: регулюється дискретно не напруга в силовому колі, а дискретно регулюється кількість додаткових секцій вторинної обмотки трансформатора і відповідно на них напруга, яка випрямляється другим випрямлячем та підключається зустрічно до вхідної напруги джерела живлення. Коли напруга на виході другого випрямляча стає більше вхідної напруги джерела живлення, починає у джерело живлення проходити струм з виходу другого випрямляча, який зменшує струм у навантаженні першого випрямляча до нуля при холостому ході, причому таке дискретнопараметричне регулювання реалізується не в силовому, а в допоміжному колі, установлена потужність елементів котрого значно менша установленої потужності елементів силового кола. Таке дискретне - параметричне регулювання задається введеною схемою керування, яка видає керуючі імпульси на два введені ключі в залежності від значення напруги на вході блока живлення, а установлені рівні спрацьовування комутаційних елементів по напрузі блока живлення визначаються значеннями напруги на навантаженні та вибраними параметричними співвідношеннями між основними та додатковими обмотками трансформатора. На підставі вищевикладеного можна зробити висновок про те, що сукупність суттєвих відмінних ознак, викладених у формулі корисної моделі, є необхідним і достатнім для досягнення нового технічного результату - підвищення надійності та розширення функціональних можливостей пристрою. Сутність корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг.1 представлена схема електрична принципова джерела живлення незмінного струму із стабілізацією напруги холостого ходу. На фіг.2 наведені навантажувальні характеристики джерела живлення незмінного струму з дискретно-параметричною стабілізацією напруги холостого ходу. Джерело живлення незмінного струму із стабілізацією напруги холостого ходу містить блок 1 живлення нестабілізованої напруги, вихідні позитивна і корпусна негативна клеми якого зашунтовані першим конденсатором 2 відповідно полярності його виводів та вхідними виводами інвертора 3, вихідні виводи якого зашунтовані послідовно з'єднаними лінійним дроселем 4 та другим конденсатором 5, до спільної точки котрих і вільного виводу конденсатора 5 підключена первинна обмотка 6 трансформатора 7, виводи першої вторинної обмотки 8 якого з'єднані відповідно з першим і другим вхідними виводами першого мостового випрямляча 9, вихідні виводи котрого зашунтовані навантаженням 10, другий мостовий випрямляч 11, вихідні позитивний та негативний виводи котрого підключені відповідно до позитивної та корпусної негативної клем блока 1 живлення нестабілізованої напруги, а перший вхідний вивід цього 57985 6 мостового випрямляча 11 під'єднаний до виводу другої вторинної обмотки 12, що має позначку фазного маркування. Джерело живлення незмінного струму додатково забезпечене третьою вторинною обмоткою 13 та четвертою вторинною обмоткою 14 трансформатора 7, першим комутаційним елементом 15 та другим комутаційним елементом 16, що мають по одному виводу відповідно нормально замкнутого, чи відкритого, та нормально розімкнутого, чи закритого, стану цих комутаційних елементів відносно їх середніх виводів, причому вивід другої вторинної обмотки 12 трансформатора 7, що не має позначки фазного маркування, з'єднаний з виводом третьої вторинної обмотки 13 трансформатора 7, що має позначку фазного маркування, та з виводом нормально замкнутого стану першого комутаційного елемента 15, середній вивід та вивід нормально розімкнутого стану якого підключені відповідно до виводу нормально замкнутого стану другого комутаційного елемента 16 та до спільної точки виводів третьої вторинної обмотки 13 і четвертої вторинної обмотки 14 трансформатора 7, яким відповідно не визначена та визначена позначка фазного маркування, середній вивід та вивід нормально розімкнутого стану другого комутаційного елемента 16 під'єднані відповідно до другого вхідного виводу другого мостового випрямляча 11 та до виводу четвертої вторинної обмотки 14 трансформатора 7, яка не має позначки фазного маркування, а також схемою 17 керування, першим ключем 18 та другим ключем 19, першим керуючим органом 20 та другим керуючим органом 21, причому перші ключ 18 та керуючий орган 20, другі ключ 19 та керуючий орган 21 відповідно з'єднані між собою послідовно, їх вільні виводи та виводи живлення схеми 17 керування згідно з полярністю кожних із цих виводів підключені відповідно до позитивної та корпусної негативної клем блока 1 живлення нестабілізованої напруги, перший та другий керуючі виводи схеми 17 керування підключені відповідно до керуючих входів першого ключа 18 та другого ключа 19, а перший керуючий орган 20 та другий керуючий орган 21 мають електромеханічний, чи електричний, зв'язок відповідно з першим комутаційним елементом 15 та другим комутаційним елементом 16. Пристрій працює наступним чином. Інвертор 3 перетворює нестабілізовану напругу постійного струму UЖ, вироблену блоком 1 живлення і відфільтровану конденсатором 2, в різнополярні імпульси напруги UIN типу "меандр". Ці імпульси опрацьовуються індуктивно-ємнісним перетворювачем, складеним із лінійного дроселя 4 і другого конденсатора 5, який забезпечує протікання через первинну обмотку 6 трансформатора 7 практично синусоїдального змінного струму i6 та його параметричну стабілізацію із заданими відхиленнями при зміні опору навантаження 10 в межах ( Rmin ...Rmax ). Струм i6 трансформується в струм 10 10 i8 вторинної обмотки 8 трансформатора 7, а потім першим мостовим випрямлячем формується постійний струм у навантаженні 10. Одночасно від струму i6 трансформується напруга в другу, третю 7 та четверту вторинні обмотки 12, 13 та 14 трансформатора 7. При номінальній напрузі UЖ блоку 1 живлення схема 17 керування видає керуючий сигнал UK1 на керуючий вхід ключа 18, який замикаючись, подає напругу UЖ на керуючий орган 20, який в свою чергу замикає контакти нормально розімкнутого стану першого комутаційного елемента 15 (чи відкриває його). Таким чином створюються умови для протікання струму i12 в другій та третій вторинних обмотках 12 та 13 через перший та другий комутаційні елементи 15 та 16 і підключення вільного виводу обмотки 13 до другого виводу другого мостового випрямляча 11. При значеннях опору навантаження 10 R10 > R10max напруга на виході випрямляча 11 збільшується і вона стає більше напруги джерела 1 живлення, у зв'язку з чим на виході випрямляча 11 з'являється струм, який повертає у джерело 1 живлення надлишкову енергію. При збільшені опору навантаження 10 до R10=, струм на виході випрямляча 9 дорівнює нулю, а струм на виході випрямляча 11 є максимальним і повертає майже всю енергію у джерело 1 живлення. Коли напруга живлення UЖ підвищується, то підвищується стабілізований струм на виході випрямляча 9 і підвищується при фіксованому опорі Rmax навантаження 10 напруга на ньому на різ10 ницю Umax  Umax  Uном . Розглянемо роботу 10 10 10 джерела живлення незмінного струму із стабілізацією напруги холостого ходу при коефіцієнті трансформації КT трансформатора 7 рівному одиниці W 8 W12  W13 KT    1. Для стабілізації наW6 W6 пруги на навантаженні 10 рівному R10 на рівні ноUmax мінальної при підвищенні напруги живлення Ж потрібно збільшити напругу на вході випрямляча 11 на Umax і напруга на виході випрямляча 11 10 повинна бути рівною Umax  Uном  Umax . Ця 11 11 10 підвищена кількість витків W12, W13, W14 обмоток на вході випрямляча 11 визначається по наступній Uном  Umax 10 формулі: W max  W 6  11 і приєднуном U 11 ється за допомогою комутаційних елементів 15, 16. Таким чином до обмоток 12, 13 потрібно підключити ще одну обмотку 14, щоб загальна кількість витків обмоток рівнялась Wmax. При підвищенні напруги живлення UЖ блока 1 схема 17 керування не видає керуючий сигнал UK1 на керуючий вхід ключа 18, який залишається розімкнутим (чи закритим), і не має напруги UЖ на керуючому органі 20. При цьому контакти нормально замкнутого стану першого комутаційного елемента 15 залишаються замкнутими (чи цей елемент залишається відкритим). Також схема керування 17 видає керуючий сигнал UK2 на керуючий вхід ключа 19, який замикаючись, подає напругу UЖ на керуючий орган 21, котрий в свою чер 57985 8 гу замикає контакти нормально розімкнутого стану другого комутаційного елемента 16 (чи відкриває його). Отже маємо послідовно з'єднані вторинні обмотки 12, 13, 14 з загальною кількістю витків max W . Коли напруга живлення UЖ зменшується, то зменшується стабілізований струм на виході випрямляча 9 і зменшується при фіксованому опорі Rmax навантаження 10 напруга на ньому на різ10 ницю Umin  Uном  Umin . При коефіцієнті тра10 10 10 нсформації трансформатора рівному 1 (W6=W12+W13) між витками обмотки 6 і обмоток 12, 13 для стабілізації напруги на рівні номінальної на навантаженні 10 потрібно при зменшенні напруги живлення U min зменшити напругу на обмотках Ж та на вході випрямляча 11 на Umin і напруга на 10 виході випрямляча 11 повинна бути рівною: Umin  Uном  Umin . Це зменшення напруги на 11 11 11 виході випрямляча 11 виконується за рахунок зменшення кількості витків додаткових обмоток 12, 13. Відповідно зменшена кількість витків обмоток 12, 13 визначається по наступній формулі Uном  Umin 10 і виконується за доW min  W 6  11 Uном 11 помогою комутаційних елементів 15, 16. Таким чином від обмоток 12, 13 потрібно від'єднати обмотку 13, щоб залишилася обмотка 12 з кількістю витків Wmin. При зменшенні напруги живлення UЖ блока 1 схема 17 керування не видає керуючий сигнал UK1 на керуючий вхід ключа 18, який є розімкнутий і не подає напруги UЖ на керуючий орган 20, який в свою чергу залишає замкнутими контакти нормально замкнутого стану першого комутаційного елемента 15 (чи залишає відкритим елемент 15). Також схема керування 17 не подає керуючий сигнал UK2 на керуючий вхід ключа 19, який є розімкнутим і не подає напругу UЖ на керуючий орган 21, який в свою чергу залишає замкнутими контакти нормально замкнутого стану другого комутаційного елемента 16 (чи залишає відкритим елемент 16). Тому, при зменшенні напруги Uном до Umin Ж Ж ном до Umax ) від(або при збільшенні напруги U Ж Ж повідно зменшується (або збільшується) компенсуюча енергія на виході випрямляча 11 і тим самим на першому конденсаторі 2, що приводить до стабілізації напруги холостого ходу на виході випрямляча 10 в заданих межах, які визначаються відхиленнями напруги та співвідношенням кількості витків вторинних обмоток 12, 13 та 14 трансформатора 7. Як видно із експериментальних навантажувальних характеристик пристрою (фіг.2), стабілізація напруги холостого ходу на виході випрямляча 9 відбувається із незначними відхиленнями напруги холостого ходу Uхх , які орієнтовно в 10 9 4-5 разів менші, ніж при відсутності дискретного переключення обмоток 13 та 14 трансформатора 7. Пристрій має також такі особливості та переваги. Схема 17 керування має гістерезис видачі керуючих імпульсів UK1, UK2, при відхиленнях напруги UЖ блока 1 живлення, що забезпечує чітке переключення комутаційних елементів 15 і 16, а їх почергове переключення запобігає закорочуванню виводів вторинних обмоток 13 та 14 трансформатора 7. Альтернативним рішенням дискретнопараметричної стабілізації напруги холостого ходу, яке реалізовано в розглянутому джерелі незмінного струму, є широтно-імпульсна модуляція імпульсів UIN інвертора 3. Але глибока ШИМ - регуляція інвертора 3, яка необхідна для обмеження напруги холостого ходу пристрою, приводить до помітних додаткових витрат потужності в силових ключах інвертора 3, оскільки при ШИМ - регулюванні збільшується кількість переключень силових ключів інвертора за період вихідної напруги. В колах дискретно-параметричної стабілізації напруги Uхх 10 додаткових втрат потужності практично, немає. Крім того, ШИМ - регулятор інвертора 3 потребує значно складнішу схему керування, а необхідна глибока ШИМ - регуляція в інверторі 3 приводить до погіршення роботи індуктивно-ємнісного перетворювача, складеного із дроселя 4, конденсатора 5, та трансформатора 7. Таким чином, можна зробити висновок, що введення дискретно-параметричної стабілізації напруги холостого ходу до пристрою, що заявляється дозволяє досягнути: підвищення його надійності - на елементах пристрою та навантаженні неможливі недопустимі перенапруги при холостому ході на його виході, а також за рахунок більш простих схеми дискретного регулювання та її виконуючих органів; розширення функціональних можливостей - за рахунок наявності стабілізації 57985 10 напруги холостого ходу при відхиленнях напруги мережі живлення. Експериментальні дослідження джерела живлення незмінного струму із стабілізацією напруги холостого ходу показали, що при зміні напруги живлячої мережі від UЖ=18В до UЖ=31В різниця між максимальним і мінімальним значеннями вихідної напруги складає не більше 100В (при UHmax=980B), тоді як за відсутності дискретнопараметричної стабілізації ця різниця становить 440В (При UHmax=1080В). Випробування макетного зразка джерела живлення незмінного струму із стабілізацією напруги холостого ходу підтвердили його працездатність, надійність. Підтверджена принципова можливість стабілізації напруги холостого ходу у джерелі незмінного струму при зміні напруги UЖ мережі живлення у широких межах. Пристрій використаний у складі макетного зразка системи запалювання на основі напівпровідникової свічки СП-70 у камері горіння газотурбінних двигунів. Підтверджена працездатність пристрою, досягнення в цілому нового технічного результату щодо стабілізації напруги холостого ходу джерела незмінного струму при відхиленнях напруги мережі живлення. Джерела інформації: 1. Милях А.Н., Волков И.В. Системы неизменного тока на основе индуктивно-емкостных преобразователей. - Киев: Наук. думка, 1974. - 216с. 2. Губаревич В.Н., Подольный СВ., Спирин В.М., Кабан В.П., Матвеев В.Ю. Регулирование выходного напряжения в инверторе в однофазной системе инвертор - индуктивно-емкостной преобразователь. // Зб. наук. праць. - К.: Інститут електродинаміки HAH України. - 2010.- №25. - С.114118. 3. Липковский К.А. Трансформаторноключевые исполнительные структуры преобразователей переменного напряжения. - К.: Наук. думка, 1983. - 214с. 11 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 57985 Підписне 12 Тираж 23 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