Пристрій плавного включення навантаження

Реферат: UA 83615 U UA 83615 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області електротехніки, зокрема до пристроїв перетворення енергетичних параметрів електричної енергії і може бути використана при створенні джерел вторинного електроживлення, наприклад, при розробці і виготовленні пристроїв плавного включення навантаження в мережу або плавного включення енергії, що генерується, в живлячу мережу. Відомі різні вирішення схемотехніки джерел вторинного електроживлення, наприклад: "Імпульсний стабілізатор постійної напруги" (а.с. СРСР № 851370, МПК-3 G05F 1/56, Н02М 3/335, БВ-28-81 p.); "Імпульсний стабілізатор постійної напруги" (а.с. СРСР № 1067486, МПК-3 G05F 1/56, БВ-284 p.); "Імпульсний стабілізатор постійної напруги" (Патент України № 54292 А, МПК-7 G05F 1/56, бюл. № 2,2003 p.); "Імпульсний стабілізатор напруги" (Патент України № 64247 А, МПК-7 G05F 1/56, Н02М 3/335, Н02М 7/00, бюл. № 2, 2004 p.). Недоліком відомих пристроїв є неможливість використання їх для реалізації необхідного алгоритму роботи пристрою, що заявляється. Відомий пристрій, що реалізовує "Спосіб плавного регулювання величини і фази напруги змінного струму" (Патент РФ № 2266608, МПК-7 Н02М 3/22, Н02М 7/527, G05F 1/56, опубл. 10.06.2004 p.). Суть корисної моделі полягає в перетворенні напруги змінного струму з вхідною частотою за допомогою інвертора в послідовність біполярних імпульсів, тривалість яких регулюється ключами інвертора, а вихідна частота імпульсів значно вища за вхідну частоту. Недоліком відомого пристрою є неможливість використання його для реалізації необхідного алгоритму роботи пристрою, що заявляється. Найбільш близьким по технічній суті і результату, що досягається, і вибраним як прототип є "Перетворювач змінної напруги в постійну" (Патент України № 20830, МПК (2011) Н02М 7/00, БВ-10-97 p.). Алгоритм роботи системи управління пристроєм по прототипу заснований на формуванні відмикаючих сигналів при вхідній напрузі, меншій заданого мінімального порогового значення і почерговому виключенні транзисторів при досягненні напругою заданого максимального порогового значення на вході пристрою управління. Пристрій управління може бути виконай на основі широтно-імпульсного модулятора з опорною напругою пилкоподібної форми, при цьому пристрій містить вхідний випрямляч, трансформатор з вторинною обмоткою, два силові транзистори, вихідний випрямляч, ємкісної фільтр і систему управління. Недоліком прототипу є неможливість використання його для реалізації необхідного алгоритму роботи пристрою, що заявляється. Задачею корисної моделі є розробка нової схемотехніки пристрою плавного включення навантаження з досягненням технічного результату - реалізації заданого алгоритму роботи. Поставлена задача виконується тим, що в "Пристрої плавного включення навантаження", який включає вхідний випрямляч, трансформатор з вторинною обмоткою, два силових транзистори, вихідний випрямляч, ємкісний фільтр і систему управління, яка містить широтноімпульсний модулятор і генератор пилкоподібних імпульсів, містить формувач імпульсів управління, синхронізованих з мережею, модуль управління плавним включенням симісторів і напівмостовий автогенератор, крім того, формувач імпульсів управління, синхронізованих з мережею, включає задаючий генератор прямокутних імпульсів, формувач імпульсів, при цьому задаючий генератор прямокутних імпульсів виконаний у вигляді компаратора, а формувач імпульсів містить формувачі переднього фронту негативної і позитивної півхвилі, крім того, компаратор виконаний на операційному підсилювачі, а кожен з формувачів переднього фронту негативної і позитивної півхвилі містить інтегратор, суматор і інтегральні логічні елементи, при цьому модуль управління плавним включенням симісторів включає генератор пилкоподібних імпульсів, широтно-імпульсний модулятор, формувач часу включення і відключення, виконаний у вигляді інтегратора, підсилювач потужності з вихідним трансформатором, при цьому генератор пилкоподібних імпульсів виконаний у вигляді інтегратора, а два широтно-імпульсні модулятори виконано у вигляді компараторів, крім того, підсилювач потужності виконаний по двотактній схемі, а напівмостовий автогенератор включає вхідний мостовий випрямляч, трансформатор, два силові транзистори, вихідний випрямляч, ємкісний фільтр, при цьому два конденсатори утворюють з двома силовими транзисторами напівмостову схему, а трансформатор містить одну первинну обмотку, дві обмотки управління і три вторинні обмотки, кожна з яких навантажена на випрямний міст і конденсаторний згладжуючий фільтр, при цьому кожна з обмоток управління навантажена на діодний випрямляч і згладжуючий конденсатор і підключена до емітерного переходу відповідного силового транзистора, один з яких містить 1 UA 83615 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ланцюг запуску автогенератора, крім того, частота автогенератора на силових транзисторах вибрана рівною 25 кГц, а ланцюг запуску автогенератора виконаний у вигляді резистора, включеного між колектором і базою силового транзистора. Суттєвими ознаками пристрою, що заявляється, співпадаючими з прототипом, є наступні ознаки: - вхідний випрямляч; - трансформатор з вторинною обмоткою; - два силових транзистори; - вихідний випрямляч; - ємкісний фільтр; - система управління, що містить широтно-імпульсний модулятор і генератор пилкоподібних імпульсів. Відмітними від прототипу суттєвими ознаками пристрою, що заявляється, є наступні ознаки: - формувач імпульсів управління, синхронізованих з мережею; - модуль управління плавним включенням симісторів; - напівмостовий автогенератор. Приватними відмітними від прототипу суттєвими ознаками пристрою, що заявляється, є наступні ознаки: - формувач імпульсів управління, синхронізованих з мережею, включає задаючий генератор прямокутних імпульсів, формувач імпульсів, при цьому задаючий генератор прямокутних імпульсів виконаний у вигляді компаратора, а формувач імпульсів містить формувачі переднього фронту негативної і позитивної півхвилі, крім того, компаратор виконаний на операційному підсилювачі, а кожен з формувачів переднього фронту негативної і позитивної півхвилі містить інтегратор, суматор і інтегральні логічні елементи; - модуль управління плавним включенням симісторів включає генератор пилкоподібних імпульсів, широтно-імпульсний модулятор, формувач часу включення і відключення, виконаний у вигляді інтегратора, підсилювач потужності з вихідним трансформатором, при цьому генератор пилкоподібних імпульсів виконаний у вигляді інтегратора, а два широтно-імпульсні модулятори виконано у вигляді компараторів, крім того, підсилювач потужності виконаний по двотактній схемі; - напівмостовий автогенератор включає вхідний мостовий випрямляч, трансформатор, два силові транзистори, вихідний випрямляч, ємкісний фільтр, при цьому два конденсатори утворюють з двома силовими транзисторами напівмостову схему, а трансформатор містить одну первинну обмотку, дві обмотки управління і три вторинні обмотки, кожна з яких навантажена на випрямний міст і конденсаторний згладжуючий фільтр, при цьому кожна з обмоток управління навантажена на діодний випрямляч і згладжуючий конденсатор і підключена до емітерного переходу відповідного силового транзистора, один з яких містить ланцюг запуску автогенератора, крім того, частота автогенератора на силових транзисторах вибрана рівною 25 кГц, а ланцюг запуску автогенератора виконаний у вигляді резистора, включеного між колектором і базою силового транзистора. Між суттєвими ознаками корисної моделі, що заявляється, і технічним результатом, який досягається, існує наступний причинно-наслідковий зв'язок. Дійсно, нова схемотехніка пропонованого пристрою в порівнянні з прототипом дозволяє значно спростити пристрій і, за рахунок цього, підвищити надійність його роботи і понизити матеріальні витрати при тиражуванні даного пристрою, а також дозволяє успішно реалізувати заданий алгоритм роботи. Проведений заявником аналіз рівня техніки, який включає пошук за патентними і науковотехнічними джерелами інформації, з виявленням джерел, які містять інформацію про аналоги технічного рішення, що заявляється, дозволяє встановити, що заявником не виявлені повні аналоги, які характеризуються всією сукупністю ознак, ідентичною всім суттєвим ознакам заявленого пристрою, вказаних у формулі корисної моделі. Тому можна стверджувати, що корисна модель, що заявляється, відповідає умові патентоспроможності за критерієм "новизна". Крім того, дана корисна модель промислово застосовна, тому що технічне рішення, що заявляється, можна використовувати при розробці і виготовленні джерел вторинного електроживлення з плавним включенням навантаження або з плавним включенням напруги, що генерується, в мережу. На фиг.1 зображена принципова електрична схема формувача імпульсів управління, синхронізованих з мережею; на фіг. 2 зображена принципова електрична схема модуля 2 UA 83615 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 управління плавним включенням симісторів, а на фіг. 3 зображена принципова електрична схема напівмостового автогенератора. Розглянемо детально три основні блоки пристрою, що заявляється: формувач імпульсів управління, синхронізованих з мережею; модуль управління плавним включенням симісторів і напівмостовий автогенератор. Формувач імпульсів управління, синхронізованих з мережею. Формувач імпульсів управління, синхронізованих з мережею, включає задаючий генератор прямокутних імпульсів, формувач імпульсів, при цьому задаючий генератор прямокутних імпульсів виконаний у вигляді компаратора, а формувач імпульсів містить формувачі переднього фронту негативної і позитивної півхвилі. Крім того, компаратор виконаний на операційному підсилювачі, а кожен з формувачів переднього фронту негативної і позитивної півхвилі містить інтегратор, суматор і інтегральні логічні елементи. Мережева напруга живлення поступає на вхід пристрою, що заявляється. На елементах С1, С2, С3; VD1-VD4, VD5 зібране безтрансформаторне симетричне джерело живлення, резистори R3, R4 призначені для створення штучної середньої точки джерела живлення. На елементах R1, R2, VD6, VD7 зібраний двосторонній обмежувач мережевої напруги. Мережева напруга з виходу безтрансформаторного симетричного джерела живлення поступає на обмежувач рівня, виконаний на діодах VD6, VD7 і, за рахунок прямого падіння напруги на цих діодах, обмежується до рівня 0,7 В. Ця напруга - 0,7 В - подається на входи операційного підсилювача DA1, включеного в режимі компаратора, який перетворить напругу 0,7 В у прямокутну напругу, - меандр - без зрушення фази початкової напруги. Компаратор на DA1 включений в інверсному режимі, тому його вихідна напруга інверсна щодо початкової (мережевого) напруги. Для гальванічної розв'язки від мережі схема пристрою, що заявляється, містить оптрон ЗОТ 101 Б, при цьому складений транзистор оптопари інвертує напругу прямокутної форми і тепер вона співпадає по фазі з синусоїдальною напругою мережі змінного струму. Для симісторів, встановлених в схемі плавного включення навантаження, оптимальним варіантному управлінню кутом відсічення служить управління короткими імпульсами  > 5мкс і бажано, щоб позитивна півхвиля - позитивними імпульсами і негативна півхвиля - негативними імпульсами. На мікросхемах DD1 і DD2 зібрані формувачі переднього фронту негативної (DD1) і позитивної півхвилі (DD2). DD1-1 формує і інвертує імпульси після складеного транзистора оптопари, a DD2-1 інвертує. Виділення переднього фронту негативної півхвилі здійснюється на DD1-2 і DD1-3, створюючих схему першого одновібратора, при цьому на елементах R23 і С4 зібрана лінія затримки, а елемент DD1-3 виконує роль першого суматора - сума алгебри прямого і затриманого інверсного і є передній фронт вхідного негативного імпульсу. Виділення переднього фронту позитивної півхвилі здійснюється на DD2-2 і DD2-3, створюючих схему другого одновібратора, при цьому на елементах R23 і С4 зібрана лінія затримки, а елемент DD2-3 виконує роль другого суматора - сума алгебри прямого і затриманого інверсного і є передній фронт вхідного позитивного імпульсу. Елементи DD1-4, DD2-4 інвертують виділений передній фронт. Модуль управління плавним включенням симісторів. Модуль управління плавним включенням симісторів містить генератор пилкоподібних імпульсів, широтно-імпульсний модулятор, формувач часу включення і відключення, виконаний у вигляді інтегратора, підсилювач потужності з вихідним трансформатором, при цьому генератор пилкоподібних імпульсів виконаний у вигляді інтегратора, а два широтно-імпульсні модулятори виконано у вигляді компараторів. Крім того, підсилювач потужності виконаний по двотактній схемі. Розглянемо роботу модуля управління плавним включенням симісторів, На входи b і с модуля управління поступають імпульси, що є переднім фронтом вхідного негативного імпульсу (вхід b) і переднім фронтом вхідного позитивного імпульсу (вхід с). Ці імпульси поступають на каскад узгодження виходу логіки з живленням +5 В з джерелом живлення +12 В. Каскад узгодження виконаний на транзисторах VT1 і VT2. 3 UA 83615 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Вихід цього каскаду погоджує джерело (+12 В) з джерелом (+12 В і -12 В) з середньою точкою для забезпечення роботи генератора пилкоподібних імпульсів на DA2-1 і DA3-1, зібраних по схемі інтегратора. Каскад узгодження живлення +12 В з джерелом +12 В і -12 В зібраний по схемі підсилювача на VT3, VT4. На операційних підсилювачах DA2-2, DA3-2 зібрані широтно-імпульсні модулятори кута відсічення. Операційні підсилювачі DA2-2, DA3-2 включені в режимі компараторів при порівнянні напруги, що плавно росте, з напругою пилкоподібної форми, що і формує передній фронт кута відсічення. Формувач часу включення і відключення зібраний по схемі інтегратора на операційному підсилювачі DA4. Якщо до інверсного виводу підключено +12 В через резистор R29, то на виході операційного підсилювача падатиме напруга, час якої залежить від параметрів R29 і С8, тобто від постійної часу RC-цепи. Передній фронт після широтно-імпульсного модулятора виділяється за допомогою диференціальних ланцюжків С14, R33, R34 (С15, R31, R32). Діоди VD17 і VD18 усувають негативний імпульс при негативному фронті, залишаючи тільки позитивний. На транзисторах VT5, VT6 зібраний підсилювач потужності для управління силовими симісторами. Підсилювач зібраний по двотактній схемі з розділовим трансформатором, який забезпечує узгодження з входом симістора, що управляє, і забезпечує розв'язку з мережею 220 В, 50 Гц. Напівмостовий автогенератор. Напівмостовий автогенератор включає вхідний випрямляч на діодах VD9-VD12, трансформатор TV2, два силові транзистори VT7 і VT8, два конденсатори С10 і С11, утворюючих з двома силовими транзисторами VT7 і VT8 напівмостову схему. Трансформатор TV2 містить одну первинну обмотку І, дві обмотки управління II і III і три вторинні обмотки IV, V і VI, кожна з яких навантажена на випрямний міст (VD17-VD20, VD21VD24 і VD25-VD28) і конденсаторний згладжуючий фільтр С12, С13 і С14. Кожна з обмоток управління II і ІІІ TV2 навантажена на діодний випрямляч (VD13,VD14 і VD15,VD16) і згладжуючий конденсатор (С12, С13) і підключена до емітерного переходу відповідного силового транзистора VT7 або VT8. Один з силових транзисторів, наприклад, VT7 містить ланцюг запуску автогенератора. Частота автогенератора на силових транзисторах VT7 і VT8 вибрана рівною 25 кГц. Ланцюг запуску автогенератора виконаний у вигляді резистора R36, включеного між колектором і базою силового транзистора VT7. Блок живлення пристрою зібраний по схемі напівмостового автогенератора з робочою частотою 25 кГц. Змінна напруга 220 В 50 Гц подається на вхід пристрою, що заявляється, і після мостового випрямляча на діодах VD9-VD12 випрямлена напруга поступає на напівмостовий автогенератор, виконаний на конденсаторах С10 і С11 і силових транзисторах VT7 і VT8. Через ланцюг запуску автогенератора, виконаного у вигляді резистора R36, включеного між колектором і базою силового транзистора VT7, запускається в роботу напівмостовий автогенератор, що працює на частоті 25 кГц. Підвищена частота перетворення вибрана з метою зменшення масогабаритних характеристик трансформатора TV2. На виході трансформатора TV2 є три вторинні обмотки IV, V і VI, кожна з яких навантажена на свій випрямний міст і конденсаторний згладжуючий фільтр: VD17-VD20 і С12 для отримання постійної напруги +5В; VD21-VD24 і С13 для отримання постійної напруги +12В; VD25-VD28 і С14 для отримання постійної напруги -12В. Розглянемо роботу пристрою, що заявляється. Напруга 220 В 50 Гц поступає на вхід пристрою, конкретно на вхід формувача імпульсів управління, синхронізованих з мережею, з виходу якого імпульси, що є переднім фронтом вхідного негативного імпульсу (вхід b) і переднім фронтом вхідного позитивного імпульсу (вхід с), подають на відповідні входи модуля управління плавним включенням симісторів. З виходу модуля управління плавним включенням симісторів, конкретно з підсилювача потужності на транзисторах VT5, VT6 зібраного по двотактній схемі з розділовим 4 UA 83615 U 5 10 15 трансформатором, на силові симістори поступають сигнали управління, що забезпечують розв'язку з мережею 220 В, 50 Гц. Напівмостовий автогенератор забезпечує низьковольтним живленням пристрій, що заявляється, за допомогою трьох живлячих напруги: +5 В; +12 В і -12 В. Таким чином, пристрій, що заявляється, дозволяє синхронно з частотою мережі виконати наступні технологічні операції: - плавно підключити навантаження до мережевої напруги 220 В, 50 Гц; - плавно включити джерело напруги (наприклад, сонячні батареї, напруга яких перетворена в мережеву напругу 220 В, 50 Гц), що генерується, в існуючу мережу живлячої напруги 220 В, 50 Гц; - плавно включити джерело напруги (наприклад, акумуляторні батареї і суперконденсатори, напруга яких перетворена в мережеву напругу 220 В, 50 Гц), що генерується, в існуючу мережу живлячої напруги 220 В, 50 Гц. На підставі всього вищевикладеного можна зробити вивід, що задача, поставлена в справжній корисній моделі, - розробка нової схемотехніки пристрою плавного включення навантаження - виконана з досягненням технічного результату - реалізації заданого алгоритму роботи для плавного включення навантаження. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 40 45 1. Пристрій плавного включення навантаження, який включає вхідний випрямляч, трансформатор з вторинною обмоткою, два силові транзистори, вихідний випрямляч, ємкісний фільтр і систему управління, що містить широтно-імпульсний модулятор і генератор пилкоподібних імпульсів, який відрізняється тим, що містить формувач імпульсів управління, синхронізованих з мережею, модуль управління плавним включенням симісторів і напівмостовий автогенератор. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що формувач імпульсів управління, синхронізованих з мережею, включає задаючий генератор прямокутних імпульсів, формувач імпульсів, при цьому задаючий генератор прямокутних імпульсів виконаний у вигляді компаратора, а формувач імпульсів містить формувачі переднього фронту негативної і позитивної півхвилі, крім того, компаратор виконаний на операційному підсилювачі, а кожен з формувачів переднього фронту негативної і позитивної півхвилі містить інтегратор, суматор і інтегральні логічні елементи. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що модуль управління плавним включенням симісторів включає генератор пилкоподібних імпульсів, широтно-імпульсний модулятор, формувач часу включення і відключення, виконаний у вигляді інтегратора, підсилювач потужності з вихідним трансформатором, при цьому генератор пилкоподібних імпульсів виконаний у вигляді інтегратора, а два широтно-імпульсні модулятори виконано у вигляді компараторів, крім того, підсилювач потужності виконаний по двотактній схемі. 4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що напівмостовий автогенератор включає вхідний мостовий випрямляч, трансформатор, два силові транзистори, вихідний випрямляч, ємкісний фільтр, при цьому два конденсатори утворюють з двома силовими транзисторами напівмостову схему, а трансформатор містить одну первинну обмотку, дві обмотки управління і три вторинні обмотки, кожна з яких навантажена на випрямний міст і конденсаторний згладжуючий фільтр, при цьому кожна з обмоток управління навантажена на діодний випрямляч і згладжуючий конденсатор і підключена до емітерного переходу відповідного силового транзистора, один з яких містить ланцюг запуску автогенератора, крім того, частота автогенератора на силових транзисторах вибрана рівною 25 кГц, а ланцюг запуску автогенератора виконаний у вигляді резистора, включеного між колектором і базою силового транзистора. 5 UA 83615 U 6 UA 83615 U Комп’ютерна верстка М. Мацело 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 7