RU2615782C1 - Alternating current voltage stabilizing regulator - Google Patents
Alternating current voltage stabilizing regulator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2615782C1 RU2615782C1 RU2016113193A RU2016113193A RU2615782C1 RU 2615782 C1 RU2615782 C1 RU 2615782C1 RU 2016113193 A RU2016113193 A RU 2016113193A RU 2016113193 A RU2016113193 A RU 2016113193A RU 2615782 C1 RU2615782 C1 RU 2615782C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- voltage
- comparator
- key
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
- G05F1/10—Regulating voltage or current
- G05F1/12—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac
- G05F1/40—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using discharge tubes or semiconductor devices as final control devices
- G05F1/44—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using discharge tubes or semiconductor devices as final control devices semiconductor devices only
- G05F1/445—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using discharge tubes or semiconductor devices as final control devices semiconductor devices only being transistors in series with the load
Landscapes
- Ac-Ac Conversion (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам преобразования входной электрической энергии переменного тока в энергию переменного тока на выходе с возможностью регулирования выходного напряжения и может быть использовано в стабилизаторах сетевого напряжения.The invention relates to a device for converting input electrical energy of alternating current into alternating current energy at the output with the ability to control the output voltage and can be used in voltage stabilizers.
Стабилизация напряжения переменного тока необходима для поддержания в рабочем состоянии потребителей электрической энергии при значительных отклонениях входного напряжения в любую сторону, а также для защиты потребителей энергии от аварийных перепадов входного напряжения, которые могут привести к выходу из строя электрические приборы.Stabilization of AC voltage is necessary to maintain the working state of consumers of electric energy with significant deviations of the input voltage in any direction, as well as to protect consumers of energy from emergency fluctuations in the input voltage, which can lead to failure of electrical appliances.
Известные стабилизаторы переменного напряжения используют многообмоточные трансформаторы с тиристорной коммутацией обмоток, они изменяют действующее значение переменного напряжения за счет искажения формы синусоидального напряжения. Указанные устройства имеют большие массогабаритные показатели, малые пределы диапазона изменения входного напряжения, низкий коэффициент стабилизации, невысокое быстродействие и не обеспечивает рекуперацию энергии переменного тока при реактивном характере нагрузки [1], [2], [3], [4].Known AC voltage stabilizers use multi-winding transformers with thyristor switching windings, they change the effective value of the alternating voltage due to distortion of the sinusoidal voltage shape. These devices have large weight and size indicators, small limits of the input voltage variation range, low stabilization coefficient, low speed and do not provide recovery of AC energy with a reactive load [1], [2], [3], [4].
Для стабилизации переменного напряжения применяют автотрансформаторные устройства, управляемые двигателем [5]. Эти устройства обеспечивают рекуперацию энергии, однако имеют большие массогабаритные показатели и низкое быстродействие.To stabilize AC voltage, autotransformer devices controlled by an engine are used [5]. These devices provide energy recovery, however, they have large overall dimensions and low speed.
Известны бестрансформаторные электронные устройства повышения и понижения напряжения переменного тока на нагрузке, использующие высокочастотные прерыватели напряжения переменного тока, управляемые последовательностью широтно-модулированных импульсов. Устройства включают входной и выходной фильтры низкой частоты и два ключа.Known transformerless electronic devices for increasing and lowering the AC voltage at the load using high-frequency AC voltage choppers controlled by a sequence of pulse-width modulated pulses. Devices include input and output low-pass filters and two keys.
Недостатком описанных устройств является невозможность одновременного понижения и повышения напряжения, а также отсутствие схемы управления ключами, без которой невозможно реализовать надежное и безопасное устройство, работающее в условиях высоких напряжений и токов. [6].The disadvantage of the described devices is the impossibility of simultaneously lowering and raising the voltage, as well as the absence of a key management circuit, without which it is impossible to implement a reliable and safe device operating in conditions of high voltages and currents. [6].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является регулятор переменного напряжения (RU №2325752, С1, МПК Н05М /293, опубликовано 2008.05.27) [7], принимаемый за прототип заявляемого изобретения.The closest in technical essence to the claimed device is an AC voltage regulator (RU No. 2225752, C1, IPC H05M / 293, published 2008.05.27) [7], taken as a prototype of the claimed invention.
Известное устройство содержит последовательный ключ, параллельный ключ, дроссель, входное реле, параллельное реле, выходное реле, входной фильтр низкой частоты, выходной фильтр низкой частоты и схему управления, подключенную к управляющим входам ключей и реле.The known device contains a serial key, a parallel key, a choke, an input relay, a parallel relay, an output relay, an input low-pass filter, an output low-pass filter and a control circuit connected to the control inputs of the keys and the relay.
Входной фильтр низкой частоты подключен к источнику напряжения переменного тока, выход выходного фильтра низкой частоты подключен к нагрузке. Выходной контакт дросселя подключен к входам последовательного и параллельного ключей. Входное напряжение переменного тока с помощью последовательного и параллельного ключей преобразуется в последовательность широтно-модулированных биполярных импульсов, длительность которых определяет величину напряжения на нагрузке. При включении последовательного ключа в дросселе накапливается электромагнитная энергия, а при включении параллельного ключа осуществляется синхронный сброс энергии накопленной в дросселе в нагрузку. При этом ключи работают в противофазе. Схема управления обеспечивает противофазное переключение ключей с частотой на несколько порядков выше частоты входного напряжения переменного тока. Входной и выходной фильтры обеспечивают подавление высокочастотных составляющих модулированного напряжения в цепи источника входного напряжения и в нагрузке. Работа ключей в противофазе обеспечивает рекуперацию реактивной энергии при нелинейной нагрузке.The input low-pass filter is connected to an AC voltage source, the output of the low-pass output filter is connected to the load. The output contact of the inductor is connected to the inputs of the serial and parallel keys. The input AC voltage with the help of serial and parallel switches is converted into a sequence of width-modulated bipolar pulses, the duration of which determines the magnitude of the voltage at the load. When the serial switch is turned on, electromagnetic energy is accumulated in the inductor, and when the parallel switch is turned on, the energy stored in the inductor is synchronized to the load. In this case, the keys work in antiphase. The control circuit provides antiphase switching of keys with a frequency several orders of magnitude higher than the frequency of the input AC voltage. The input and output filters suppress the high-frequency components of the modulated voltage in the input voltage source circuit and in the load. The operation of the keys in antiphase ensures the recovery of reactive energy with a non-linear load.
При уменьшении входного напряжения регулятор работает в режиме повышения напряжения, что обеспечивается (фиг. 1 прототипа) замыканием контактов 4,3 и 4,2 входного реле, контактов 5,3 и 5,1 параллельного реле, контактов 6,3 и 6,1 выходного реле. При этом на управляющие входы ключей подаются противофазные широтно-модулированные импульсы, причем время включения последовательного ключа больше времени включения параллельного ключа. При увеличении входного напряжения переменного тока регулятор работает в режиме понижения напряжения, что обеспечивается замыканием контактов 5,3 и 5.2 параллельного реле, контактов 6,3 и 6,2 выходного реле и контактов 4.3 и 4,1 входного реле. Описанное устройство имеет ряд недостатков.When the input voltage decreases, the controller operates in a voltage increase mode, which is ensured (Fig. 1 prototype) by closing the contacts 4.3 and 4.2 of the input relay, the contacts 5.3 and 5.1 of the parallel relay, contacts 6.3 and 6.1 output relay. In this case, antiphase pulse-width modulated pulses are supplied to the control inputs of the keys, and the time for switching on the serial key is longer than the time for turning on the parallel key. When the input AC voltage increases, the regulator operates in the undervoltage mode, which is achieved by closing the contacts 5.3 and 5.2 of the parallel relay, contacts 6.3 and 6.2 of the output relay and contacts 4.3 and 4.1 of the input relay. The described device has several disadvantages.
Стабилизатор сетевого напряжения 220 В, рассчитанный, например, на мощность 1 кВт должен переключать режимы работы при мгновенных токах до 10 А, что приводит к необходимости использования сильноточных реле, которые обладают низким быстродействием и не позволяют отслеживать перепады входного напряжения в течение одного полупериода (10 мс) для сети с рабочей частотой 50 Гц, а также переключать режимы работы стабилизатора в момент нулевого напряжения.A mains voltage stabilizer 220 V, calculated, for example, for a power of 1 kW should switch operating modes at instantaneous currents up to 10 A, which leads to the need to use high-current relays, which have low speed and do not allow tracking input voltage drops during one half-cycle (10 ms) for a network with an operating frequency of 50 Hz, and also switch the stabilizer operating modes at the moment of zero voltage.
Кроме того, напряжение в сети переменного тока постоянно смещается относительно номинала 220 В в ту или иную сторону, поэтому регулятор напряжения будет постоянно переключать реле, что приведет к быстрому износу механических контактов реле и снижению срока безотказной эксплуатации устройства.In addition, the voltage in the AC network is constantly shifting relative to the nominal value of 220 V in one direction or another, therefore, the voltage regulator will constantly switch the relay, which will lead to rapid wear of the mechanical contacts of the relay and reduce the period of operation of the device.
В режиме понижения напряжения последовательный ключ разомкнут, параллельный замкнут, ток в нагрузку протекает через дроссель, омическое сопротивление которого составляет единицы Ом, что на порядок больше омического сопротивления открытого ключа, которое составляет десятые доли Ома, это приводит к увеличению энергетических потерь и понижает коэффициент полезного действия устройства.In the undervoltage mode, the serial switch is open, parallel closed, the current flows into the load through the inductor, the ohmic resistance of which is units of Ohms, which is an order of magnitude greater than the ohmic resistance of the public key, which is tenths of Ohms, this leads to an increase in energy losses and lowers the coefficient of useful device actions.
Отсутствие защиты от аварийных скачков тока нагрузки и входного напряжения значительно понижает надежность известного устройства.The lack of protection against emergency surges of the load current and input voltage significantly reduces the reliability of the known device.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности, быстродействия и коэффициента полезного действия устройства.The technical result of the present invention is to increase the reliability, speed and efficiency of the device.
Указанный технический результат достигается тем, что стабилизатор напряжения переменного тока содержит последовательный ключ, параллельный ключ, входы которых подключены к выходному контакту дросселя, входной фильтр низкой частоты (ФНЧ), вход которого соединен с источником входного напряжения, выходной ФНЧ, вход которого подключен к выходу параллельного ключа, а выход подключен к нагрузке, выход нагрузки соединен с общим проводом, и схему управления, подключенную к управляющим входам ключей.The specified technical result is achieved by the fact that the AC voltage stabilizer contains a serial switch, a parallel switch, the inputs of which are connected to the output terminal of the inductor, an input low-pass filter (LPF), the input of which is connected to an input voltage source, and an output LPF whose input is connected to the output parallel key, and the output is connected to the load, the output of the load is connected to a common wire, and a control circuit connected to the control inputs of the keys.
Согласно изобретению он содержит датчик тока, подключенный к выходу входного ФНЧ, первый выход датчика тока подключен к входному контакту дросселя и к входу второго параллельного ключа, выход которого подключен к входу выходного ФНЧ, а схема управления содержит источник питания, устройство защиты по току и напряжению и двухполупериодный детектор, подключенный к источнику входного напряжения, выход которого соединен с входом устройства выборки и хранения, выход которого подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом устройства сравнения, первый вход которого соединен с источником опорного напряжения, а второй - с выходом выпрямителя, подключенного к нагрузке, два формирователя пороговых уровней, объединенные входы которых соединены с выходом сумматора, два компаратора, первый вход первого компаратора соединен с выходом первого формирователя порогового уровня, первый вход второго компаратора соединен с выходом второго формирователя порогового уровня, вторые входы компараторов соединены с выходом генератора пилообразного напряжения, выходы первого компаратора подключены к первому и второму входам блока управления параллельными и последовательным ключами, выход второго компаратора подключен к третьему входу блока управления параллельными и последовательным ключами, первый вход устройства защиты по току и напряжению соединен с выходом двухполупериодного детектора, а второй вход - со вторым выходом датчика тока, а выход подключен к четвертому входу блока управления параллельными и последовательным ключами.According to the invention, it contains a current sensor connected to the output of the input low-pass filter, the first output of the current sensor is connected to the input terminal of the inductor and to the input of the second parallel switch, the output of which is connected to the input of the output low-pass filter, and the control circuit contains a power source, a current and voltage protection device and a half-wave detector connected to an input voltage source, the output of which is connected to the input of the sampling and storage device, the output of which is connected to the first input of the adder, the second input of which is connected with the output of the comparison device, the first input of which is connected to the source of the reference voltage, and the second with the output of the rectifier connected to the load, two threshold level shapers, the combined inputs of which are connected to the output of the adder, two comparators, the first input of the first comparator is connected to the output of the first shaper threshold level, the first input of the second comparator is connected to the output of the second threshold level driver, the second inputs of the comparators are connected to the output of the sawtooth generator, output The odes of the first comparator are connected to the first and second inputs of the parallel and serial keys control unit, the output of the second comparator is connected to the third input of the parallel and serial keys control unit, the first input of the current and voltage protection device is connected to the output of the half-wave detector, and the second input is connected to the second the output of the current sensor, and the output is connected to the fourth input of the control unit of parallel and serial keys.
Другое отличие состоит в том, что устройство сравнения содержит два компаратора, причем инвертирующий вход первого компаратора через первый делитель напряжения подключен к источнику опорного напряжения, неинвертирующий вход - к выходу выпрямителя, а выход - к управляющему входу первого ключа, неинвертирующий вход второго компаратора через второй делитель напряжения подключен к источнику опорного напряжения, инвертирующий вход подключен к выходу выпрямителя, а выход к управляющему входу второго ключа, два масштабных усилителя, инвертирующий вход первого усилителя подключен через третий делитель напряжения к источнику опорного напряжения, не инвертирующий вход подключен к выпрямителю, а выход - к входу первого ключа, инвертирующий вход второго усилителя подключен через четвертый делитель напряжения к источнику опорного напряжения, не инвертирующий вход подключен к выпрямителю, а выход - к входу второго ключа, выходы ключей подключены к второму входу сумматора.Another difference is that the comparison device contains two comparators, the inverting input of the first comparator connected to the voltage source through the first voltage divider, the non-inverting input to the output of the rectifier, and the output to the control input of the first key, the non-inverting input of the second comparator through the second the voltage divider is connected to the reference voltage source, the inverting input is connected to the output of the rectifier, and the output is to the control input of the second key, two large-scale amplifiers, inverters The input input of the first amplifier is connected through a third voltage divider to the reference voltage source, the non-inverting input is connected to the rectifier, and the output is connected to the input of the first key, the inverting input of the second amplifier is connected through the fourth voltage divider to the reference voltage source, the non-inverting input is connected to the rectifier, and the output is to the input of the second key, the outputs of the keys are connected to the second input of the adder.
Другое отличие состоит в том, что устройство защиты по току и напряжению содержит два компаратора, инвертирующий вход первого компаратора соединен со вторым выходом датчика тока, а не инвертирующий вход - с источником опорного напряжения, выход первого компаратора соединен с первым входом логического элемента «И», инвертирующий вход второго компаратора соединен с выходом двухполупериодного детектора, а не инвертирующий вход подключен к второму источнику опорного напряжения, выход второго компаратора соединен со вторым входом логического элемента «И», выход которого подключен к четвертому входу блока управления параллельными и последовательным ключами.Another difference is that the current and voltage protection device contains two comparators, the inverting input of the first comparator is connected to the second output of the current sensor, and not the inverting input to the source of the reference voltage, the output of the first comparator is connected to the first input of the “And” logic element , the inverting input of the second comparator is connected to the output of the half-wave detector, and the non-inverting input is connected to the second reference voltage source, the output of the second comparator is connected to the second input th element “AND”, the output of which is connected to the fourth input of the control unit of parallel and serial keys.
Увеличение надежности стабилизатора достигается применением высокоскоростной защиты по току и напряжению (время срабатывания 2 мкс), это необходимо, так как при коммутации сетевого напряжения ключи работают в условиях высоких напряжений и больших токов (сотни вольт и десятки ампер). Кроме того, в режиме повышения напряжения дроссель 4 подключается к сетевому напряжению через открытый ключ 5 в течение нескольких миллисекунд, в этот момент идет рост тока через дроссель, ток ограничен только индуктивным сопротивлением дросселя и выходным сопротивлением источника напряжения. В этом случае крайне важно не допустить токовой перегрузки, которая может привести к выходу из строя указанных элементов. Если мгновенное значение тока в начале полупериода превысит величину 10 А, защита запирает ключи до начала следующего полупериода и так происходит каждый полупериод пока броски тока не уменьшатся, в этом случае стабилизатор переходит в штатный режим работы. В случае продолжения перегрузок больше 2 с защита выключает стабилизатор. При бросках входного напряжения более 370 В (пиковое значение) срабатывает защита от перегрузки по напряжению и запирает все ключи на время действия полуволны входного напряжения (10 мс). Если величина пикового напряжения следующей полуволны будет менее 370 В, защита не срабатывает и стабилизатор работает в режиме понижения напряжения. В случае, если входное пиковое напряжение более 370 В сохраняется в течение 2 с, защита выключает стабилизатор.Increasing the reliability of the stabilizer is achieved by using high-speed current and voltage protection (
Повышение быстродействия стабилизатора достигается использованием устройства выборки и хранения, которое позволяет фиксировать изменение входного напряжения стабилизатора в начале каждого полупериода и, соответственно, устанавливать режим работы стабилизатора в начале каждого полупериода, чтобы не пропустить кратковременных аварийных бросков сетевого напряжения.Improving the performance of the stabilizer is achieved by using a sampling and storage device that allows you to record the change in the input voltage of the stabilizer at the beginning of each half-cycle and, accordingly, set the mode of operation of the stabilizer at the beginning of each half-period so as not to miss short-term emergency surges of the mains voltage.
Повышение коэффициента полезного действия достигается:The increase in efficiency is achieved by:
- во-первых, применением режима трансляции входного напряжения на нагрузку без высокочастотного преобразования, когда входное напряжение находится в пределах 220±2 В, тем самым уменьшаются потери энергии стабилизатора при высокочастотном преобразовании напряжения,- firstly, by applying the mode of translation of the input voltage to the load without high-frequency conversion, when the input voltage is within 220 ± 2 V, thereby reducing the energy loss of the stabilizer during high-frequency voltage conversion,
во-вторых, использование второго параллельного ключа позволяет подавать входное напряжение на выход, минуя дроссель, в режиме понижения напряжения. Это также уменьшает потери энергии, так как омическое сопротивление открытого ключа на порядок меньше омического сопротивления дросселя.secondly, the use of a second parallel switch allows you to apply input voltage to the output, bypassing the inductor, in the mode of undervoltage. It also reduces energy loss, since the ohmic resistance of the public key is an order of magnitude less than the ohmic resistance of the inductor.
Сущность изобретения поясняется фигурами чертежей.The invention is illustrated by the figures of the drawings.
Фиг. 1 – блок-схема заявляемого стабилизатора напряжения переменного тока.FIG. 1 is a block diagram of the inventive AC voltage stabilizer.
Фиг. 2 - функциональная схема устройства сравнения.FIG. 2 is a functional diagram of a comparison device.
Фиг. 3 - функциональная схема устройства защиты по току и напряжению.FIG. 3 is a functional diagram of a current and voltage protection device.
Фиг. 4 - эпюры напряжения, поясняющие работу устройства выборки и хранения, где: (а) - входное напряжение, Uвх устройства выборки и хранения, (б) - стробирующее напряжение, (в) - выходное напряжение, Uвых устройства выборки и хранения.FIG. 4 - voltage plots explaining the operation of the sampling and storage device, where: (a) is the input voltage, Uin is the sampling and storage device, (b) is the gate voltage, (c) is the output voltage, Uout are the sampling and storage devices.
Фиг. 5 - эпюры напряжений, поясняющие работу стабилизатора напряжения переменного тока в режиме трансляции напряжения, где: (а) - выходные напряжения генератора пилообразного напряжения и формирователей пороговых уровней, (б) - входные напряжения параллельных и последовательного ключей, (в) - временная зависимость выходного напряжения Uвых стабилизатора.FIG. 5 - voltage diagrams explaining the operation of the AC voltage stabilizer in voltage transfer mode, where: (a) are the output voltages of the sawtooth generator and threshold level generators, (b) are the input voltages of the parallel and serial switches, (c) the time dependence of the output voltage Uout of the stabilizer.
Фиг. 6 - эпюры напряжений, поясняющие работу стабилизатора напряжения переменного тока в режиме понижения напряжения, где: (а) - выходное напряжение генератора пилообразного напряжения и формирователей пороговых уровней, (б) - входное напряжение второго параллельного ключа, (в) - входное напряжение выходного фильтра низкой частоты, (г) - временная зависимость выходного, Uвых напряжения стабилизатора.FIG. 6 - voltage diagrams explaining the operation of the AC voltage stabilizer in the voltage reduction mode, where: (a) is the output voltage of the sawtooth voltage generator and threshold level shapers, (b) is the input voltage of the second parallel switch, (c) is the input voltage of the output filter low frequency, (g) - time dependence of the output, Uout voltage of the stabilizer.
Фиг. 7 - эпюры напряжений, поясняющие работу стабилизатора напряжения переменного тока в режиме повышения напряжения, где: (а) - выходное напряжение генератора пилообразного напряжения и формирователей пороговых уровней, (б) - выходные напряжения последовательного и первого параллельных ключей, (в) - входное напряжение выходного ФНЧ, (г) - временная зависимость выходного, Uвых напряжения стабилизатора.FIG. 7 - voltage diagrams explaining the operation of the AC voltage stabilizer in the voltage boost mode, where: (a) the output voltage of the sawtooth generator and threshold level generators, (b) the output voltages of the serial and first parallel switches, (c) the input voltage output low-pass filter, (g) is the time dependence of the output, Uout voltage of the stabilizer.
Стабилизатор напряжения переменного тока содержит (фиг. 1) ФНЧ 1, вход которого соединен с источником входного напряжения, а выход - с входом датчика тока 2, первый выход датчика тока соединен с входом параллельного ключа 3 и входным контактом дросселя 4, выходной контакт которого соединен с входами последовательного ключа 5 и параллельного ключа 6, выход ключа 5 соединен с общим проводом, выход ключа 6 соединен с выходом ключа 3 и со входом ФНЧ 7, выход которого соединен с входом нагрузки 8, выход которой подключен к общему проводу.The AC voltage stabilizer contains (Fig. 1) a low-
Схема управления содержит устройство выборки и хранения 9, вход которого подключен к выходу двухполупериодного детектора 10, вход которого соединен с источником входного напряжения, блок питания 11, подключенный к источнику входного напряжения, сумматор 12, первый вход которого соединен с выходом устройства выборки и хранения 9, второй вход сумматора 12 соединен с выходом устройства сравнения 13, а выход - с входами формирователей порогового уровня 14 и 15, первый вход устройства сравнения 13 соединен с выходом выпрямителя 16, а второй вход - с источником опорного напряжения 17, выход формирователя порогового уровня 14 соединен с первым входом компаратора 18, выход формирователя порогового уровня 15 соединен с первым входом компаратора 19, вторые входы компараторов 18 и 19 соединены с выходом генератора пилообразного напряжения 20, первый выход компаратора 19 соединен с первым входом блока управления ключами 21, второй выход компаратора 19 соединен с вторым входом блока управления ключами 21, выход компаратора 18 соединен с третьим входом блока управления ключами 21, устройство защиты 22, первый вход которого подключен к выходу детектора 10, а второй вход - со вторым выходом датчика тока, выход устройства защиты соединен с четвертым входом блока управления ключами 21, первый выход которого соединен с управляющим входом последовательного ключа 5, второй выход соединен с управляющим входом первого параллельного ключа 6, а третий выход соединен с управляющим входом второго параллельного ключа 3.The control circuit includes a sampling and
Устройство сравнения (фиг. 2) содержит ключи 23, 24, управляющие входы которых подключены к выходам компараторов 25, 26, а объединенные выходы - со вторым входом сумматора 12 (фиг. 1), инвертирующий вход компаратора 25 и не инвертирующий вход компаратора 26 через делители напряжения 27 и 28 подключены к источнику опорного напряжения 17 (фиг. 1), не инвертирующий вход компаратора 25 и инвертирующий вход компаратора 26 - к выпрямителю 16. Устройство сравнения также содержит два масштабных усилителя 29, 30, инвертирующие входы обоих усилителей через делители напряжения 31, 32, соединены с источником опорного напряжения 17, а не инвертирующие входы - с выпрямителем 16. Выход усилителя 29 подключен к входу ключа 23, а выход усилителя 30 - к входу ключа 24.The comparison device (Fig. 2) contains
Устройство защиты по току и напряжению (фиг. 3) содержит два источника опорного напряжения 33, 34, входы которых подключены к блоку питания 11, а выходы - к не инвертирующим входам компараторов 35, 36, инвертирующий вход компаратора 35 соединен со вторым выходом датчика тока 2 (фиг. 1), а инвертирующий вход компаратора 36 соединен с выходом двухполупериодного детектора 10, выходы обоих компараторов подключены ко входам логического элемента «И» 37, выход которого соединен с четвертым входом блока управления ключами 21.The current and voltage protection device (Fig. 3) contains two
Стабилизатор напряжения переменного тока работает следующим образом. В момент включения стабилизатора ключи 3, 5, 6 находятся в закрытом состоянии в течение нескольких периодов входного напряжения пока схема управления не сформирует необходимую комбинацию сигналов на выходах блока управления ключами 21. Входное напряжение подается на входы источника питания 11 и двухполупериодного детектора 10, к выходу которого подключено устройство выборки и хранения 9. Работа устройства выборки и хранения синхронизована с частотой входного напряжения, импульсы синхронизации вырабатываются с задержкой t1-t0 после момента времени t0, момента прохождения входного напряжения через нуль, величина задержки 1 мсек (фиг. 4).The AC voltage stabilizer operates as follows. At the moment the stabilizer is turned on, the
В момент времени t1 устройство выборки и хранения 9 запоминает входные напряжения на уровнях U1, U2, U3, хранит в течение полупериода и каждые полупериоды обновляет напряжение на выходе. Выходное напряжение, выделяемое на нагрузке 8, через выпрямитель 16 подается на первый вход устройства сравнения 13 (фиг. 3), на второй вход которого подается опорное напряжение с выхода источника опорного напряжения 17.At time t1, the sampling and
Выходные напряжения сравнивающего устройства 13 и устройства выборки и хранения 9 подаются на входы сумматора 12, выходное напряжение которого поступает на входы формирователей пороговых уровней 14 и 15, выходы которых подключены к первым входам компараторов 18 и 19, на вторые входы компараторов подается пилообразное напряжение высокой частоты с выхода генератора 20.The output voltages of the
Выходное напряжение сумматора 12 определяет значение пороговых уровней Uпор1 и Uпор2 на выходе формирователей 14, 15 (фиг. 5а), которые отслеживают как входное, так и выходное напряжение, при изменении этих напряжений они изменяются синхронно, однонаправлено и установлены таким образом, что при напряжении Uвх=220±2 В на входе стабилизатора, абсолютная величина их меньше пикового значения амплитуды пилообразного напряжения, в этом случае компараторы 18, 19 не переключаются и на их выходах устанавливается постоянное напряжение.The output voltage of the
Установленная комбинация напряжений на выходах компараторов 18, 19 поступает на входы блока управления ключами 21, при этом на выходах блока 21 появляются напряжения, определяющие состояния ключей 3, 5, 6. На управляющие входы ключей 5 и 6 подается запирающее напряжение, а на управляющий вход ключа 3 отпирающее (фиг. 5б). Таким образом стабилизатор работает в режиме трансляции входного напряжения на нагрузку 8 без высокочастотного преобразования (фиг. 5в).The established combination of voltages at the outputs of the
При увеличении входного напряжения Uвх более 222 В оба пороговых уровня поднимаются и нижний пороговый уровень Uпор2 становится меньше пиковой амплитуды пилообразного напряжения (происходит "касание" уровней) (фиг. 6а), при этом на выходе компаратора 18 появляется последовательность широтно-модулированных импульсов, поступающих на третий вход блока управления ключами 21, напряжения на выходах компаратора 19 остаются постоянными. При такой комбинации входных напряжений на первом и втором входах блока управления ключами 21 на его третьем выходе устанавливается последовательность широтно-модулированных импульсов (фиг. 6б), а на первом и втором выходах - запирающее напряжение (не показано).With an increase in the input voltage Uin more than 222 V, both threshold levels rise and the lower threshold level Uпор2 becomes less than the peak amplitude of the sawtooth voltage (levels “touch”) (Fig. 6a), and a sequence of pulse-width modulated pulses appears at the output of the
Как следует из эпюры напряжения на входе ФНЧ 7 (фиг. 6в) стабилизатор работает как импульсный делитель входного напряжения. ФНЧ 7 (фиг. 6г). преобразует широтно-модулированную импульсную последовательность в выходное напряжение с малыми пульсациями, величина которых рассчитывается по методике описанной в статье [6]. При этом длительность временного интервала t2-t0 равна периоду высокочастотного пилообразного напряжения Т, t1-t0, = τ - время закрытого состояния параллельного ключа 3, t2-t1 - время открытого состояния ключа 3. Таким образом, напряжение на нагрузке 8 определяется соотношением временных интервалов t1-t0/t2-t0, или τ/T=γ<1, где γ - скважность импульсной последовательности. Тогда среднее значение напряжения на нагрузке 8 будет определяться выражением Uвых=γUвх. При уменьшении входного напряжения Uвх менее 218 В оба пороговых уровня снижаются, верхний пороговый уровень Uпор1 "касается" пилообразного напряжения (фиг. 7а), при этом на первом и втором выходах компаратора 19 появляется последовательность противофазных широтно-модулированных импульсов, которые подаются на первый и второй входы блока управления ключами 21, на выходе компаратора 18 напряжение остается постоянным. При такой комбинации напряжений на входе блока управления ключами 21, на его первом и втором выходах появляются последовательности противофазных широтно-модулированных импульсов (фиг. 7б), а на третьем выходе - запирающее напряжение. Таким образом стабилизатор переходит в режим повышения напряжения.As follows from the voltage diagram at the input of the low-pass filter 7 (Fig. 6B), the stabilizer works as a pulse divider of the input voltage. Low-pass filter 7 (Fig. 6g). converts a width-modulated pulse sequence into an output voltage with small ripples, the value of which is calculated according to the method described in [6]. The duration of the time interval t2-t0 is equal to the period of the high-frequency sawtooth voltage T, t1-t0, = τ is the closed state of the
Эффект повышения напряжения с помощью дросселя 4, можно пояснить следующим образом. При открывании последовательного ключа 5 в момент времени t0 и при закрытых параллельных ключах 3, 6 ток в дросселе 4 нарастает и в нем происходит накопление электромагнитной энергии. В момент времени t1 ключ 5 закрывается и открывается ключ 6, а ключ 3 остается закрытым. В этот момент на зажимах дросселя 4 возникает напряжение самоиндукции Еинд, сам дроссель оказывается включенным последовательно с источником входного напряжения, которое в этот момент суммируется с входным напряжением. Таким образом на входе ФНЧ 7 возникает напряжение Uвх+Eинд (фиг. 7в). Еинд пропорциональна индуктивности дросселя 4, мгновенному значению тока через дроссель 4 в момент времени t1 и, следовательно, интервалу времени t1-t0, равному времени накопления дросселем электромагнитной энергии.The effect of increasing voltage using the
В течение интервала времени t1-t2 происходит сброс электромагнитной энергии через ФНЧ 7 в нагрузку 8. В момент времени t2 ключ 6 закрывается, а ключ 5 открывается и цикл преобразования повторяется. Таким образом, напряжение, выделяемое на нагрузке 8, зависит не только от энергии, накопленной дросселем 4 за время t1-t0, но также от времени сброса t2-t1 этой энергии в нагрузку 8, то есть от скважности импульсной последовательности высокочастотного напряжения и от сопротивления нагрузки. Среднее значение выходного напряжения (фиг. 7г) определяется выражением Uвых=Uвх/1-γ, где γ=τ/Т, T=t2-t0, период импульсной последовательности, τ=t1-t0 время открытого состояния последовательного ключа 5. С увеличением сопротивления нагрузки выходное напряжение повышается, при выходном Uвых более 222 В стабилизатор работает в режиме понижения напряжения и поддерживает выходное напряжение на уровне 222 В. С уменьшением сопротивления нагрузки выходное напряжение понижается, при Uвых менее 218 В стабилизатор работает в режиме повышения напряжения и поддерживает Uвых на уровне 218 В.During the time interval t1-t2, electromagnetic energy is discharged through the low-
Устройство сравнения (фиг. 2) работает следующим образом. Делителем напряжения 27 на инвертирующем входе компаратора 25 устанавливается пороговое напряжение, соответствующее выходному напряжению 222 В, если выходное напряжение менее 222 В, компаратор 25 размыкает ключ 23 и отключает выход усилителя 29 от второго входа сумматора 12 (фиг. 1). На делителе 28, подключенном к не инвертирующему входу компаратора 26, устанавливается пороговое напряжение, соответствующее выходному напряжению 218 В, при выходном напряжении более 218 В, компаратор 26 размыкает ключ 24 и отключает выход усилителя 30 от второго входа сумматора 12 (фиг 1).The comparison device (Fig. 2) works as follows. A voltage divider 27 at the inverting input of the
Следовательно, при выходном напряжении стабилизатора 220±2 В напряжение на выходе устройства сравнения 13 равно нулю и не оказывает влияния на работу стабилизатора. При выходном напряжении, более или равном 222 В, компаратор 25 замыкает ключ 23 и подключает выход усилителя 29 ко второму входу сумматора 12. При выходном напряжении меньшем или равном 218 В компаратор 26 замыкает ключ 24 и подключает выход усилителя 30 ко второму входу сумматора 12. При этом в обоих случаях попеременно замыкается контур автоматического регулирования выходного напряжения стабилизатора по цепи: нагрузка 8, выпрямитель 16, устройство сравнения 13, сумматор 12, формирователи пороговых уровней 14, 15, компараторы 18, 19, блок управления ключами 21, ключи 5, 6 (фиг. 1). При выходном напряжении, более или равном 222 В, контур автоматического регулирования поддерживает выходное напряжение стабилизатора на уровне 222 В, а при выходном напряжении, меньшем или равном 218 В, на уровне 218 В. С помощью делителя 31, подключенного к инвертирующему входу усилителя 29, устанавливается нулевое напряжение на его выходе при выходном напряжении стабилизатора 222 В. С помощью делителя 32, подключенного к инвертирующему входу усилителя 30, устанавливается нулевое напряжение на его выходе при выходном напряжении стабилизатора 218 В.Therefore, when the output voltage of the stabilizer is 220 ± 2 V, the voltage at the output of the
Устройство защиты по току и напряжению работает следующим образом. На не инвертирующие входы компараторов 35, 36 подаются опорные напряжения от источников 33 и 34, входы которых подключены к блоку питания 11, на инвертирующий вход компаратора 35 подается напряжение со второго выхода датчика тока, а на инвертирующий вход компаратора 36 - с выхода детектора 10. Опорные напряжения источников 33 и 34 подбираются таким образом, чтобы при входных токах менее 10 А и напряжениях менее 370 В (пиковое значение) на выходах компараторов 35 и 36 устанавливались логические единицы, в этом случае на выходе логического элемента «И» также будет логическая единица, которая разрешает работу блока управления ключами 21. При превышении указанного значения по току на выходе компаратора 35, установится логический нуль, который обнулит выходное напряжение элемента «И», запрещающее работу блока управления ключами 21, при этом ключи 3, 5, 6 переходят в закрытое состояние. То же самое произойдет, если на инвертирующем входе компаратора 36 появится напряжение больше предельно допустимого.The protection device for current and voltage works as follows. The non-inverting inputs of the
Увеличение надежности стабилизатора достигается применением высокоскоростной защиты по току и напряжению (время срабатывания 2 мкс), это необходимо, так как при коммутации сетевого напряжения ключи работают в условиях высоких напряжений и больших токов (сотни вольт и десятки ампер). Кроме того, в режиме повышения напряжения дроссель 4 подключается к сетевому напряжению через открытый ключ 5 в течение нескольких миллисекунд (временной интервал t1-t0), в этот момент идет рост тока через дроссель, ток ограничен только индуктивным сопротивлением дросселя и выходным сопротивлением источника напряжения. В этом случае крайне важно не допустить токовой перегрузки, которая может привести к выходу из строя указанных элементов. Если мгновенное значение тока в начале полупериода превысит величину 10 А, защита запирает ключи до начала следующего полупериода и так происходит каждый полупериод пока броски тока не уменьшатся, в этом случае стабилизатор переходит в штатный режим работы. В случае продолжения перегрузок больше 2 с защита выключает стабилизатор. При бросках входного напряжения более 370 В (пиковое значение) срабатывает защита от перегрузки по напряжению и запирает все ключи на время действия полуволны входного напряжения (10 мс). Если величина пикового напряжения следующей полуволны будет менее 370 В, защита не срабатывает и стабилизатор работает в режиме понижения напряжения. В случае, если входное пиковое напряжение более 370 В сохраняется в течение 2 с, защита выключает стабилизатор.Increasing the reliability of the stabilizer is achieved by using high-speed current and voltage protection (
Повышение быстродействия стабилизатора достигается использованием устройства выборки и хранения, которое позволяет фиксировать изменение входного напряжения стабилизатора в начале каждого полупериода и, соответственно, устанавливать режим работы стабилизатора в начале каждого полупериода (10 мс) по описанному выше алгоритму. Это необходимо, чтобы не пропустить кратковременных аварийных бросков сетевого напряжения.Improving the performance of the stabilizer is achieved by using a sampling and storage device that allows you to record the change in the input voltage of the stabilizer at the beginning of each half-cycle and, accordingly, set the mode of operation of the stabilizer at the beginning of each half-cycle (10 ms) according to the algorithm described above. This is necessary so as not to miss the short-term emergency power surges.
Повышение коэффициента полезного действия достигается, во-первых, применением режима трансляции входного напряжения на нагрузку без высокочастотного преобразования, когда входное напряжение находится в пределах 220±2 В, тем самым уменьшаются потери энергии стабилизатора при высокочастотном преобразовании напряжения, во-вторых, использование второго параллельного ключа 3 позволяет подавать входное напряжение на выход, минуя дроссель, в режиме понижения напряжения. Это также уменьшает потери энергии, так как омическое сопротивление открытого ключа на порядок меньше омического сопротивления дросселя.The increase in efficiency is achieved, firstly, by applying the input voltage to the load mode without high-frequency conversion, when the input voltage is within 220 ± 2 V, thereby reducing the energy loss of the stabilizer during high-frequency voltage conversion, and secondly, the use of a second
Разработан действующий макет заявляемого стабилизатора напряжения переменного тока. Получены следующие технические характеристики:A working model of the inventive AC voltage stabilizer is developed. The following specifications are obtained:
Uвх=110-260 ВUin = 110-260 V
Uвых=220±2 ВUout = 220 ± 2 V
Р=500 ВтP = 500 W
кпд=98%efficiency = 98%
Быстродействие - 10 мсSpeed - 10 ms
Указанная совокупность технических характеристик не достигалась известными конструкциями электромеханических стабилизаторов напряжения переменного тока и стабилизаторов переменного тока с импульсным преобразованием напряжения.The specified set of technical characteristics was not achieved by the known designs of electromechanical AC voltage stabilizers and AC stabilizers with pulse voltage conversion.
Источники информацииInformation sources
1. RU №2282886 С1, МПК G05F 1/20, опубликовано 2006.08.27.1. RU No. 2282886 C1,
2. RU №2314628 С1, МПК Н02М 5/22, опубликовано 2008.01.10.2. RU No. 2314628 C1,
3. RU №2306660 С1, МПК H02M 5/22, опубликовано 2007.09.20.3. RU No. 2306660 C1,
4. RU №2274890 С, МПК G05F 1/30, опубликовано 2006.04.204. RU No. 2274890 C,
5. Стабилизатор напряжения Voltron PCH-1000h, магазин электрооборудования Ампер-вольт. www.stabilsassin.ru/page=electromechanstabilis.5. Voltage stabilizer Voltron PCH-1000h, ampere-volt electrical equipment store. www.stabilsassin.ru/page=electromechanstabilis.
6. А. Коршунов. Импульсные преобразователи напряжения переменного тока, журнал Силовая электроника, №1, 2006 г., стр. 54-61.6. A. Korshunov. Switching AC Voltage Converters, Journal of Power Electronics, No. 1, 2006, pp. 54-61.
7. RU №2325752 С1, МПК H02M 5/293, опубликовано 2008.05.27 - прототип.7. RU No. 2325752 C1,
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016113193A RU2615782C1 (en) | 2016-04-06 | 2016-04-06 | Alternating current voltage stabilizing regulator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016113193A RU2615782C1 (en) | 2016-04-06 | 2016-04-06 | Alternating current voltage stabilizing regulator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2615782C1 true RU2615782C1 (en) | 2017-04-11 |
Family
ID=58642309
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016113193A RU2615782C1 (en) | 2016-04-06 | 2016-04-06 | Alternating current voltage stabilizing regulator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2615782C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU208820U1 (en) * | 2021-10-19 | 2022-01-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Stabilized current source key control device in a solar battery simulator |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5726561A (en) * | 1996-06-24 | 1998-03-10 | Universal Power Systems, Inc. | Voltage selection apparatus and methods |
| RU2314628C1 (en) * | 2006-05-31 | 2008-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Электроспецприбор" | Alternating voltage stabilizer |
| RU2325752C1 (en) * | 2007-02-19 | 2008-05-27 | Александр Николаевич Богачев | Alternating current voltage regulator |
-
2016
- 2016-04-06 RU RU2016113193A patent/RU2615782C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5726561A (en) * | 1996-06-24 | 1998-03-10 | Universal Power Systems, Inc. | Voltage selection apparatus and methods |
| RU2314628C1 (en) * | 2006-05-31 | 2008-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Электроспецприбор" | Alternating voltage stabilizer |
| RU2325752C1 (en) * | 2007-02-19 | 2008-05-27 | Александр Николаевич Богачев | Alternating current voltage regulator |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU208820U1 (en) * | 2021-10-19 | 2022-01-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Stabilized current source key control device in a solar battery simulator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101510181B1 (en) | Power supply circuit | |
| CN109874377B (en) | System and method for operating a system | |
| CN110718898B (en) | Robust inverter topology | |
| US11159160B2 (en) | AC switch, and uninterruptible power supply and voltage sag compensator including AC switch | |
| US9160173B2 (en) | Photovoltaic inverter with swinging line filter inductors | |
| US20210203251A1 (en) | Electrically coupling a first electrical supply network to a second electrical supply network | |
| JP2015146699A (en) | Power supply unit | |
| KR20160078335A (en) | Regulation of electrical generator output | |
| Ashraf et al. | A single-phase buck-boost matrix converter with low switching stresses | |
| CN110718902B (en) | Ground fault minimization | |
| Hassan et al. | Double modulation control (DMC) for dual full bridge current flow controller (2FB-CFC) | |
| RU2615782C1 (en) | Alternating current voltage stabilizing regulator | |
| KR20180015870A (en) | Inductive Power Supply based on Current Transformer | |
| JP2019531688A (en) | Method for controlling a three-phase rectifier for an on-vehicle charging device of an electric or hybrid vehicle | |
| RU2557807C2 (en) | Frequency converter | |
| KR101813060B1 (en) | Switched-mode power supply | |
| RU2534749C1 (en) | Reversible frequency converter | |
| Stretch et al. | A stand-alone, split-phase current-sourced inverter with novel energy storage | |
| RU2325752C1 (en) | Alternating current voltage regulator | |
| RU200584U1 (en) | MULTI-PHASE STABILIZER | |
| RU148649U1 (en) | SINGLE-PHASE REVERSABLE FREQUENCY CONVERTER WITH DC CONNECTED VOLTAGE FOR AIRCRAFT ELECTRICAL POWER SUPPLY SYSTEM | |
| RU2736579C1 (en) | Method of transmitting electricity with direct current through a multi-wire power line and a device for its implementation | |
| Rossini et al. | Power converter topologies with energy recovery and grid power limitation for inductive load applications | |
| WO2008123839A1 (en) | Method for alternating voltage regulation | |
| RU145994U1 (en) | TRANSFORMER INVERTER |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200407 |