Автоматичний регулятор потужності споживання електроенергії

Реферат: UA 88231 U UA 88231 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до електротехніки, а саме до обслуговування вторинних елементів живлення, і може застосовуватися для автоматичного регулювання потужності споживання навантаженням, для заряджання накопичувачів електричної енергії, для мінімізації потужності в режимі енергозбереження, захисту вторинних приладів від перевантажень, для плавного запуску електричних механізмів і машин, а також в режимі підвищення напруги при роботі з ємнісним навантаженням. Відомий пристрій для керування фазою вмикання тиристора в регуляторах напруги, який дозволяє регулювати потужність при активному і індуктивному навантаженні в колах змінного струму (див. Кублановский. Я.С. Тиристорные устройства. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1987. - 112 с.: ил. (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1104, с. 26). При наявності ємнісного навантаження тиристорні пристрої виходять з ладу в результаті перевантажень за рахунок збільшення струму до величини декількох сотень Ампер в момент перемикання тиристора в стан високої провідності. Для усунення цього недоліку вводять індуктивне навантаження, що ускладнює монтаж, наладку і збільшує габарити схемних рішень. Найбільш близьким за технічною суттю є "Универсальное автоматическое энергосберегающее устройство", патент РФ № 2451974, МКВ G05F 1/66, від 27.05.2012, бюл. № 15. Відомий пристрій містить два тиристори, що підключені зустрічно-паралельно один одному, керуючі електроди яких з'єднані між собою через позистор, наприклад, лампу розжарення, а катод кожного тиристора підключений до відповідного керуючого електрода тиристора через терморезистор з від'ємним значенням температурного коефіцієнта опору (термістор), причому параллельно до кожного термістора підключений відповідний електролітичний конденсатор. Недоліком відомого пристрою є складність конструкції, значні габарити та відносно низька надійність такого регулятора. В основу корисної моделі поставлена задача спрощення конструкції та підвищення надійності функціонування. Вирішення цієї задачі забезпечується за рахунок технічного результату, який полягає в тому, що як електронний комутаційний елемент використано один семістор, а як позистор застосовано галогенну лампу розжарювання, що відзначається малими габаритами та значним строком безвідмовної служби. Для цього в автоматичному регуляторі, що містить конденсатор та позистор, поставлена задача вирішується за рахунок того, що згідно з пропозицією, введено семістор, силовий вхід якого підключений до його керуючого входу через позистор, силовий вихід семістора підключений до його керуючого входу через конденсатор, причому як позистор використана галогенна лампа розжарювання. Крім того, згідно з пропозицією, як позистор використаний баретер. Крім того, згідно з пропозицією, автоматичний регулятор доповнений обмежувальним діодом і змінним резистором, який включений послідовно з позистором, а керуючий вхід семістора підключений через обмежувальний діод до одного з виводів змінного резистора. Крім того, згідно з пропозицією, автоматичний регулятор доповнений малогабаритним цифровим вольтметром для вимірювання діючого значення напруги на силовому виході семістора. Між відмінними ознаками технічного рішення і досягнутими технічними результатом існує безпосередній причинно-наслідковий зв'язок. В запропонованому регуляторі як електронний комутуючий елемент застосовано один семістор (інша назва - тріак), який може виконувати функції двох тиристорів, включених зустрічно-паралельно, а в керуючій ланці семістора як зворотний зв'язок використано один конденсатор і галогенна лампа розжарювання. Це дає змогу суттєво спростити схему регулятора, зменшити габарити та собівартість виробництва і збільшити надійність функціонування пристрою. Технічне рішення пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 зображена схема запропонованого автоматичного регулятора; на Фіг. 2 зображена схема підключення змінного резистора, обмежувального діода і вольтметра; на Фіг. 3 зображено вольт-амперну характеристику семістора. На Фіг. 4 зображено часову діаграму функціонування запропонованого регулятора. Автоматичний регулятор потужності споживання електроенергії на Фіг. 1 містить конденсатор 1 та позистор 2. Семістор 3 виконує функції електронного комутуючого елемента. Силовий вхід 4 семістора 3 підключений до його керуючого входу 5 через позистор 2, а силовий вихід 6 семістора 3 підключений до його керуючого входу 5 через конденсатор 1. Як позистор 2 використана галогенна лампа розжарювання, яка відзначається малими габаритами та великою тривалістю функціонування. 1 UA 88231 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Крім того, для зменшення величини ємності конденсатора 1 в одному із випадків на Фіг. 2 послідовно з позистором 2 включений змінний резистор 7, а керуючий вхід 5 семістора 3 підключений до одного із виводів 8 резистора 7 через обмежувальний діод 9. Як позистор 2 можна використати також малогабаритний баретер (наповнений воднем ламповий стабілізатор струму). На Фіг. 2 до силового виходу 6 семістора 3 підключено малогабаритний цифровий вольтметр 10 для вимірювання та індикації величини діючого значення напруги на навантаженні 11. Запропонований автоматичний регулятор потужності споживання електроенергії на Фіг. 1 та Фіг. 2 працює в наступний спосіб. При подачі змінної напруги (220 В на Фіг. 4, а) мережі живлення з джерела 12 на регулятор і послідовно з ним включене активне навантаження 11 нитка розжарення галогенної лампи (позистора) 2 холодна і має відносно невеликий опір (не більше 300 Ом), а семістор 3 закритий і практично не проводить струм, тобто його опір становить десятки мегаОм. В закритому стані семістора 3 найменший опір у регуляторі має ланцюжок, що створений конденсатором 1 і позистором 2 на Фіг. 1. При цьому конденсатор 1 заряджається до відповідної полярності і напруги (див. Фіг. 4, б), яка залежить від полярності і напруги джерела 12 змінного струму (див. Фіг. 4, а). Постійна часу  заряду конденсатора 1 визначається величиною опору позистора 2 і навантаження 11, тобто =RC, де R - сумарний опір позистора 2 і навантаження 11; С - ємність конденсатора 1. Величина струму І заряду через конденсатор 1, як функція часу, визначається наступним -t/ чином: I=U/Re . Тут U - діюче значення напруги джерела 12; R - сумарний опір позистора 2 і навантаження 11; e=2,71828 - основа натурального логарифма. Таким чином, величина струму заряду конденсатора 1 і швидкість його заряду залежить від величини і характеру навантаження 11. При великому навантаженні 11 його опір складає 0,0110 Ом і середній струм І досягає 120 мА. При малому навантаження 11 його опір складає 40-100 Ом і, відповідно, середній струм І зменшується до величини в декілька міліампер. При додатному значенні напруги U (див Фіг. 4, а) джерела 12 на силовому вході 4 семістора 3, потенціал напруги Uк на його керуючому вході 5 дорівнює потенціалу на відповідній обкладці конденсатора 1 і зростає від нуля до величини Uc (див Фіг. 4, б) в момент часу t о, що не перевищує 10 B і є достатньою для переходу семістора 3 у відкритий стан у відповідності до вольт-амперної характеристики на Фіг. 3. При цьому опір семістора 3 різко зменшується до величини, що складає соті частки ома. Цей процес відбувається в момент часу t о на Фіг. 4, а, який прямо пропорційно залежить від величини постійної  перехідного процесу заряду конденсатора 1. Вся потужність джерела 12 направляється на навантаження 11, а семістор 3 залишається в відкритому стані до моменту t1 на Фіг. 4, а, коли напруга джерела 12 спадає до нуля. Після переходу семістора 3 у відкритий стан в момент часу t о на Фіг. 4, б падіння напруги на його керуючому вході 5 відносно виходу 6 зменшується до величини 1,5 В і конденсатор 1 практично миттєво розряджається через позистор 2 і семістор 3. При цьому опір позистора 2, як такий використана галогенна лампа розжарювання, зростає за рахунок наявності значного струму зарядження-розрядження конденсатора 1 і залишається значним до моменту зміни напруги джерела 12 на протилежну за рахунок температурної інерційності нитки розжарювання. При зміні напруги джерела 12 на протилежну в момент часу t 1 на Фіг. 4, а семістор 3 знаходиться в закритому стані і практично не проводить струм до моменту часу t 2. При цьому на силовому вході 4 семістора 3 діє від'ємне значення напруги U джерела 12 (відносно силового виходу 6 семістора 3), а на його керуючому вході 5 діє від'ємне значення напруги Uк (див. Фіг. 4, б). Потенціал напруги Uк на керуючому вході 5 дорівнює потенціалу на відповідній обкладці конденсатора 1 і в момент часу t2 зменшується від нуля до величини - Uc (див. Фіг. 4, б), достатньої для переходу семістора 3 у відкритий стан у відповідності до вольт-амперної характеристики на Фіг. 3. При цьому опір семістора 3 скачкоподібно зменшується від величини в декілька мегаОм до величини, що складає соті частки ома. Цей скачок опору відбувається в момент часу t2 на Фіг. 4, а, який прямо пропорційно залежить від величини постійної  перехідного процесу заряду конденсатора 1 до від'ємного потенціалу - Uc на керуючому вході 5 семістора 3. Вся потужність джерела 12 прикладається до навантаження 11, а семістор 3 залишається у відкритому стані до моменту часу t3 на Фіг. 4, а. Після переходу семістора 3 у відкритий стан, падіння напруги на його керуючому вході 5 відносно силового виходу 6 зменшується до величини -1,5 В і конденсатор 1 миттєво розряджається через позистор 2 і семістор 3. При цьому опір нитки розжарювання галогенної лампи розжарювання (позистора) 2 залишається приблизно 1,5 кОм за рахунок наявності 2 UA 88231 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 значного струму розряджання конденсатора 1 і майже не змінюється за рахунок наявності температурної інерційності. В результаті напруга на навантаженні 11 має форму, показану на Фіг. 4, в. При збільшенні напруги джерела 12 від номінальної (220 В) - на Фіг. 4, а штрихована крива відбувається збільшення струму через навантаження 11 і позистор 2. Це призводить до збільшення опору позистора 2 і відповідно - до збільшення постійної τ перехідного процесу заряду конденсатора 1, в результаті чого семістор 3 відкривається з запізненням в момент часу t5 на Фіг. 4, б. В результаті цього середній струм через навантаження 11 зменшується, а потужність на навантаженні 11 стабілізується. Для зменшення габаритів конденсатора 1 в ряді випадків на Фіг. 2 в регуляторі застосовано обмежувальний діод 9 та змінний резистор 8, які разом дають змогу точно регулювати потужність на навантаженні 11, а мініатюрний цифровий вольтметр 10 дозволяє точно контролювати величину наруги. Включення обмежувального діода 9 збільшує величину Uc (-Uc) напруги спрацювання семістора 3 (його переходу у відкритий стан), що дозволяє зменшити величину ємності конденсатора 1, а відповідно - його габарити та собівартість запропонованого регулятора. При наявності великої ємнісної складової 13 навантаження 11 на Фіг. 1 в момент включення семістора 3 струм через конденсатор 1 і позистор 2 різко збільшується. Це призводить до збільшення опору позистора 2, в результаті чого постійна  перехідного процесу заряду конденсатора 1 збільшується і семістор 3 відкривається з запізненням в момент часу t5 на Фіг. 4, б. В результаті цього середній струм через навантаження 11 і ємнісну складову 13 зменшується і потужність на навантаженні 11 стабілізується. При наявності індуктивної складової в складі навантаження 11 під час його живлення від джерела 12 індуктивність генерує реактивну енергію, а семістор 3 при відповідній полярності діючої напруги джерела 12 виключається з випередженням, зменшуючи тим самим величину реактивної енергії, що підвищує значення так званого "косинуса фі", тобто підвищує баланс активної і реактивної енергій. Таким чином, шляхом застосування одного семістора 3 та галогенної лампи розжарювання, вирішена задача спрощення конструкції запропонованого регулятора, зменшення габаритів і збільшення надійності його функціонування в порівнянні з тиристорною схемою прототипу. Це дозволяє також зменшити собівартість виготовлення регулятора в півтора рази. Випробування дослідного зразка автоматичного регулятора потужності споживання електроенергії показало ефективність його застосування в діапазоні потужностей від 100 Вт до 300 кВт. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Автоматичний регулятор потужності споживання електроенергії, що містить конденсатор (1) та позистор (2), який відрізняється тим, що введено семістор (3), силовий вхід (4) якого підключений до його керуючого входу (5) через позистор (2), а силовий вихід (6) семістора (3) підключений до його керуючого входу (5) через конденсатор (1), причому як позистор (2) використана галогенна лампа розжарювання. 2. Автоматичний регулятор за п. 1, який відрізняється тим, що як позистор (2) використаний баретер. 3. Автоматичний регулятор за п. 1, який відрізняється тим, що пристрій доповнений обмежувальним діодом (9) і змінним резистором (7), включеним послідовно з позистором (2), а керуючий вхід (5) семістора (3) підключений до одного із виводів (8) змінного резистора (7) через обмежувальний діод (9). 4. Автоматичний регулятор за п. 1, який відрізняється тим, що пристрій доповнений малогабаритним цифровим вольтметром (10) для вимірювання діючого значення напруги на силовому виході (6) семістора (3). 3 UA 88231 U 4 UA 88231 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5