RU2565497C1 - Ac voltage stabiliser - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: AC voltage stabiliser comprises a switching unit with a switching relay, a current-limiting resistor, the first output of which is connected to a neutral wire of an electric circuit, and a transformer, the first output of the secondary winding of which is connected to a phase wire of an electric circuit, and the second output is connected to the load, at the same time the switching unit comprises a semiconductor key between the second output of the primary transformer winding and the neutral wire of the electric circuit and two switching relays, the first switching relay has normally closed contacts, the second switching relay has normally open contacts.

EFFECT: reduced dynamic losses of energy.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах электропитания, в частности в стабилизаторах переменного напряжения.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in power supply devices, in particular in AC voltage stabilizers.

Известен стабилизатор переменного напряжения (RU 2158954, G05F 1/30, H02M 5/12, опубл. 10.11.2000), содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через коммутирующий блок, содержащий коммутирующие элементы, подключена к выводам для подключения входного напряжения. Коммутирующий блок выполнен в виде двух замыкающих и двух размыкающих контактов. Первичная обмотка трансформатора подключена параллельно вторичной через размыкающие контакты, последовательно с которыми включены замыкающие контакты, одноименные выводы которых соединены между собой. Параллельно ограничительному резистору, включенному между нулевым проводом и замыкающими контактами, включен замыкающий контакт третьего промежуточного реле.Known AC voltage stabilizer (RU 2158954, G05F 1/30, H02M 5/12, publ. 10.11.2000) containing a transformer, the primary winding of which through a switching unit containing switching elements, is connected to the terminals for connecting the input voltage. The switching unit is made in the form of two make and two make contacts. The primary winding of the transformer is connected parallel to the secondary through the opening contacts, in series with which the closing contacts are connected, the terminals of the same name are interconnected. In parallel to the limiting resistor connected between the neutral wire and the make contacts, the make contact of the third intermediate relay is connected.

Недостатком данного устройства являются значительные коммутационные токи, возникающие не только при переключениях контактов коммутирующего блока, но и при замыкании контакта третьего промежуточного реле, шунтирующего ограничительный резистор.The disadvantage of this device is the significant switching currents that occur not only when switching the contacts of the switching unit, but also when the contact of the third intermediate relay shunts the limiting resistor.

Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является стабилизатор переменного напряжения (RU 2483343, G05F 1/00, опубл. 27.05.2013), содержащий коммутирующий блок, состоящий из коммутирующих реле, токоограничительный резистор и трансформатор. Вторичная обмотка трансформатора включена в цепь нагрузки, первый вывод токоограничительного резистора подключен к нейтральному проводу электросети, коммутирующий блок выполнен в виде трех переключающих реле.The closest analogue of the claimed technical solution is an AC voltage stabilizer (RU 2483343, G05F 1/00, publ. 05.27.2013) containing a switching unit consisting of switching relays, a current limiting resistor and a transformer. The secondary winding of the transformer is included in the load circuit, the first output of the current-limiting resistor is connected to the neutral wire of the mains, the switching unit is made in the form of three switching relays.

Недостатком ближайшего аналога является резкое повышение в переходном процессе тока в первичной обмотке трансформатора при шунтировании контактами реле токоограничивающего резистора. Это обусловлено не только снижением сопротивления цепи за счет шунтирования токоограничивающего резистора, но и значительным снижением индуктивности трансформатора в переходном процессе. Так как при подаче напряжения на первичную обмотку трансформатора через токоограничивающий резистор к первичной обмотке трансформатора прикладывается меньшее напряжение, чем при непосредственной подаче напряжения, то справедливо неравенство: B_м>B, где B_м и B - амплитудные значения индукции в магнитопроводе трансформатора в установившихся режимах при подаче напряжения сети непосредственно на первичную обмотку трансформатора и через токоограничивающий резистор. При совпадении моментов шунтирования токоограничивающего резистора с моментами перехода напряжения питающей сети через ноль возникают наибольшие всплески тока намагничивания трансформатора. Например, если момент шунтирования резистора совпадает с моментом перехода напряжения сети из отрицательного значения в положительное, то значение индукции в магнитопроводе трансформатора в момент коммутации имеет отрицательное значение, равное -B, т.к. при синусоидальном законе изменения напряжения сети индукция в трансформаторе тоже изменяется по синусоидальному закону, но отстает по фазе от напряжения сети на угол π/2.The disadvantage of the closest analogue is a sharp increase in the transient current in the primary winding of the transformer when the relay contacts are bridged by a current-limiting resistor. This is due not only to a decrease in circuit resistance due to shunting of the current-limiting resistor, but also to a significant decrease in the transformer inductance in the transient. Since when applying voltage to the primary winding of the transformer through a current-limiting resistor, a lower voltage is applied to the primary winding of the transformer than when directly applying voltage, the following inequality holds: B _m > B, where B _m and B are the amplitude values of the induction in the transformer magnetic core in steady-state modes when applying the mains voltage directly to the primary winding of the transformer and through a current-limiting resistor. When the moments of shunting the current-limiting resistor coincide with the moments when the voltage of the supply network passes through zero, the largest surges of the magnetization current of the transformer occur. For example, if the moment of shunting the resistor coincides with the moment the voltage of the network changes from a negative value to a positive one, then the value of induction in the transformer magnetic circuit at the time of switching has a negative value equal to -B, because with a sinusoidal law of changing the voltage of the network, the induction in the transformer also changes according to a sinusoidal law, but it lags in phase from the network voltage by an angle π / 2.

Под действием следующей после коммутации положительной полуволны напряжения сети, прикладываемого непосредственно к первичной обмотке трансформатора, индуктивность в магнитопроводе изменится на величину 2B_м и достигнет наибольшего значения B_наиб=-B+2B_м. Учитывая, что B_м>B, следовательно, B_наиб>B_м. Т.к. амплитуда индукции предельной петли гистерезиса B_м близка по величине к индукции насыщения магнитопровода трансформатора, то при индукции в магнитопроводе, равной B_наиб, возникает его насыщение и, как следствие, резкое увеличение тока намагничивания трансформатора. Затухание всплеска тока намагничивания происходит довольно медленно, т.к. мощные трансформаторы имеют большую постоянную времени. Завышенное значение тока намагничивания вызывает дополнительные потери мощности как в первичной обмотке, так и в магнитопроводе трансформатора и, как следствие, дополнительный их нагрев.Under the action of the following positive half-wave after switching the mains voltage applied directly to the primary winding of the transformer, the inductance in the magnetic circuit will change by 2B _m and reach the highest value B _naib = -B + 2B _m . Given that B _m > B, therefore, B _naib > B _m . Because the induction amplitude of the limit hysteresis loop B _m is close in magnitude to the saturation induction of the transformer magnetic circuit, then when induction in the magnetic circuit is equal to B _naib , its saturation occurs and, as a result, a sharp increase in the magnetization current of the transformer. The attenuation of the surge in the magnetization current occurs rather slowly, because Power transformers have a large time constant. An overestimated value of the magnetization current causes additional power losses both in the primary winding and in the transformer magnetic circuit and, as a result, their additional heating.

Изобретение решает задачу повышения кпд устройства за счет снижения динамических потерь электроэнергии.The invention solves the problem of increasing the efficiency of the device by reducing dynamic energy losses.

Это достигается тем, что в стабилизаторе переменного напряжения, содержащем коммутирующий блок с коммутирующими реле, токоограничительный резистор, первый вывод которого подключен к нейтральному проводу электросети, и трансформатор, первый вывод вторичной обмотки которого подключен к фазному проводу электросети, а второй вывод - к нагрузке, коммутирующий блок содержит полупроводниковый ключ между вторым выводом первичной обмотки трансформатора и нейтральным проводом электросети и два коммутирующих реле, первое реле имеет нормально замкнутые контакты, которые подключены к первому и второму выводам первичной обмотки трансформатора, второе реле имеет нормально разомкнутые контакты, которые включены между вторым выводом токоограничивающего резистора и вторым выводом первичной обмотки трансформатора, при этом первый вывод первичной обмотки трансформатора соединен с первым выводом вторичной обмотки трансформатора.This is achieved by the fact that in an AC stabilizer containing a switching unit with switching relays, a current-limiting resistor, the first output of which is connected to the neutral wire of the power supply network, and a transformer, the first output of the secondary winding of which is connected to the phase wire of the power supply network, and the second output to the load, the switching unit contains a semiconductor switch between the second terminal of the primary winding of the transformer and the neutral wire of the mains and two switching relays, the first relay has normal A closed contacts which are connected to first and second terminals of the transformer primary winding, a second relay has normally open contacts, which are connected between the second terminal of the current-limiting resistor and a second terminal of transformer primary winding, the first terminal of transformer primary winding is coupled to a first terminal of the transformer secondary winding.

Наличие полупроводникового ключа позволяет плавно увеличивать напряжение на первичной обмотке трансформатора при шунтировании токоограничивающего резистора, что устраняет насыщение магнитопровода трансформатора в переходных процессах.The presence of a semiconductor switch allows you to smoothly increase the voltage on the primary winding of the transformer when shunting the current-limiting resistor, which eliminates the saturation of the transformer magnetic circuit in transients.

Следствием такого технического результата является снижение динамических потерь электроэнергии, обусловленных всплесками тока намагничивания трансформатора, и повышение кпд устройства.The consequence of this technical result is a decrease in dynamic energy losses due to surges in the magnetization current of the transformer, and an increase in the efficiency of the device.

Сущность изобретения поясняется структурной схемой стабилизатора, показанной на фиг. 1.The invention is illustrated by the structural diagram of the stabilizer shown in FIG. one.

Стабилизатор переменного напряжения содержит коммутирующий блок 1, токоограничительный резистор 2 и трансформатор 3, первый вывод вторичной обмотки 4 которого подключен к фазному проводу электросети, а второй вывод - к нагрузке, первый вывод токоограничительного резистора 2 подключен к нейтральному выводу N электросети, а коммутирующий блок 1 содержит полупроводниковый ключ 5 и два коммутирующих реле, контакты 6 первого коммутирующего реле подключены к первому и второму выводам первичной обмотки 7 трансформатора, первый вывод которой соединен с первым выводом вторичной обмоткой трансформатора 4, контакты 8 второго коммутирующего реле включены между вторым выводом токоограничивающего резистора 2 и вторым выводом первичной обмотки трансформатора 7, между которым и нейтральным выводом N электросети включен полупроводниковый ключ 5.The AC voltage stabilizer contains a switching unit 1, a current-limiting resistor 2 and a transformer 3, the first terminal of the secondary winding 4 of which is connected to the phase conductor of the power supply network, and the second terminal is connected to the load, the first output of the current-limiting resistor 2 is connected to the neutral terminal N of the power supply network, and the switching unit 1 contains a semiconductor switch 5 and two switching relays, contacts 6 of the first switching relay are connected to the first and second terminals of the primary winding 7 of the transformer, the first output of which is connected nen to a first terminal of the secondary winding of the transformer 4, the contacts 8 of the second switching relay connected between the second terminal of the current-limiting resistor 2 and the second terminal of the primary winding of transformer 7, between which and the neutral terminal N power semiconductor switch 5 is turned on.

Стабилизатор переменного напряжения работает следующим образом.The AC voltage stabilizer operates as follows.

В исходном состоянии, как показано на фиг. 1, полупроводниковый ключ 5 заперт, контакты первого коммутирующего реле 6 нормально замкнуты, а контакты второго коммутирующего реле 8 нормально разомкнуты. Это соответствует допустимому для нагрузки уровню напряжения на входе U_вх стабилизатора. Выводы первичной обмотки 7 трансформатора 3 через замкнутые контакты 6 первого коммутирующего реле закорочены. При этом ЭДС вторичной обмотки 4, а также ее активное и индуктивное сопротивления весьма малы, и напряжение на выходе U_Bвых стабилизатора практически равно напряжению на его входе U_вх.In the initial state, as shown in FIG. 1, the semiconductor switch 5 is locked, the contacts of the first switching relay 6 are normally closed, and the contacts of the second switching relay 8 are normally open. This corresponds to the allowable load level of the input voltage U _Rin stabilizer. The conclusions of the primary winding 7 of the transformer 3 through the closed contacts 6 of the first switching relay are shorted. In this case, the EMF of the secondary winding 4, as well as its active and inductive resistances, are very small, and the voltage at the output of U _{Bout of the} stabilizer is almost equal to the voltage at its input U _in .

При увеличении напряжения на входе стабилизатора U_вх, а следовательно, и на его выходе U_вых, превышающем допустимое для нагрузки значение, контакты 8 второго коммутирующего реле замыкаются. Ток через одновременно замкнутые контакты 6 первого и контакты 8 второго коммутирующих реле ограничивается резистором 2. После чего контакты 6 первого коммутирующего реле размыкаются, и осуществляется включение полупроводникового ключа 5 с плавным снижением величины угла задержки включения от π до 0. Обеспечивается плавное снижение сопротивления в цепи первичной обмотки 7 трансформатора 3 и плавное нарастание среднего значения напряжения, приложенного к первичной обмотке 7. Это устраняет всплески тока намагничивания магнитопровода трансформатора, существенно улучшает энергетические показатели переходного процесса. При нулевом угле задержки включения полупроводникового ключа первичная обмотка 4 трансформатора подключается на полное напряжение питающей электросети. Во вторичной обмотке 7 трансформатора 3 наводится эдс, которая снижает напряжение на нагрузке до допустимого уровня.With an increase in the voltage at the input of the stabilizer U _in and, consequently, at its output U _out , exceeding the value acceptable for the load, contacts 8 of the second switching relay close. The current through simultaneously closed contacts 6 of the first and contacts 8 of the second switching relay is limited by the resistor 2. After that, the contacts 6 of the first switching relay are opened, and the semiconductor switch 5 is turned on with a smooth decrease in the angle of delay of switching from π to 0. A smooth decrease in resistance in the circuit is provided the primary winding 7 of the transformer 3 and a smooth increase in the average voltage applied to the primary winding 7. This eliminates the spikes in the magnetizing current of the trans magnetic core formators, significantly improves the energy performance of the transition process. With a zero angle delay delay of the semiconductor switch, the primary winding 4 of the transformer is connected to the full voltage of the supply network. An emf is induced in the secondary winding 7 of the transformer 3, which reduces the voltage across the load to an acceptable level.

Если напряжение на входе U_вх стабилизатора возвращается в исходное состояние, то коммутация осуществляется в следующей последовательности: замыкаются контакты 8 второго коммутирующего реле, полупроводниковый ключ 5 запирается, контакты 6 первого коммутирующего реле замыкаются, контакты 8 второго коммутирующего реле размыкаются. Устройство возвращается в исходное состояние.If the voltage at the input _Rin U stabilizer is reset, then the switching is carried out as follows: 8 of the second contacts of the switching relay, a semiconductor switch 5 is locked, the switching contact 6 of the first relays are closed, the contacts 8 of the second switching relay opens. The device returns to its original state.

Полупроводниковый ключ, шунтирующий последовательно соединенные контакты второго коммутирующего реле и токоограничивающий резистор, позволяет в режиме фазового управления плавно увеличивать напряжение на первичной обмотке трансформатора и тем самым устранить броски тока намагничивания трансформатора.The semiconductor switch, which shunts the contacts of the second switching relay in series and the current-limiting resistor, allows in the phase control mode to smoothly increase the voltage on the transformer primary winding and thereby eliminate the inrush current of the transformer magnetization.

На фиг. 1 приведена схема стабилизатора со встречным включением обмоток трансформатора, осуществляющего понижение напряжения на нагрузке. Если обмотки трансформатора включить согласно, то получится схема стабилизатора, осуществляющего повышение напряжения на нагрузке. В зависимости от требуемого диапазона регулирования напряжения осуществляется последовательное включение требуемого числа повышающих и понижающих трансформаторов.In FIG. Figure 1 shows a stabilizer circuit with an on-turn connection of the transformer windings, carrying out a voltage reduction at the load. If the transformer windings are turned on according to, then a stabilizer circuit will be obtained, which increases the voltage at the load. Depending on the required voltage regulation range, the required number of step-up and step-down transformers is sequentially turned on.

Изобретение позволяет снизить динамические потери электроэнергии, обусловленные всплесками тока намагничивания трансформатора, и тем самым повысить кпд устройства.The invention allows to reduce the dynamic loss of electricity due to surges of the magnetization current of the transformer, and thereby increase the efficiency of the device.

Claims (1)

Стабилизатор переменного напряжения, содержащий коммутирующий блок с коммутирующими реле, токоограничительный резистор, первый вывод которого подключен к нейтральному проводу электросети, и трансформатор, первый вывод вторичной обмотки которого подключен к фазному проводу электросети, а второй вывод подключен к нагрузке, отличающийся тем, что коммутирующий блок содержит полупроводниковый ключ между вторым выводом первичной обмотки трансформатора и нейтральным проводом электросети и два коммутирующих реле, первое коммутирующее реле имеет нормально замкнутые контакты, которые подключены к первому и второму выводам первичной обмотки трансформатора, второе коммутирующее реле имеет нормально разомкнутые контакты, которые включены между вторым выводом токоограничивающего резистора и вторым выводом первичной обмотки трансформатора, при этом первый вывод первичной обмотки трансформатора соединен с первым выводом вторичной обмотки трансформатора. An AC voltage stabilizer comprising a switching unit with switching relays, a current limiting resistor, the first terminal of which is connected to a neutral wire of the electric network, and a transformer, the first terminal of which secondary winding is connected to a phase wire of the electric network, and the second terminal is connected to a load, characterized in that the switching block contains a semiconductor key between the second terminal of the primary winding of the transformer and the neutral wire of the mains and two switching relays, the first switching relay e has normally closed contacts that are connected to the first and second terminals of the transformer primary winding, the second switching relay has normally open contacts that are connected between the second terminal of the current-limiting resistor and the second terminal of the transformer primary, while the first terminal of the transformer primary is connected to the first terminal secondary winding of the transformer.