CZ14196U1 - Regulátor napětí, především pro regulaci výkonu - Google Patents

Description

Regulátor napětí, především pro regulaci výkonu

Oblast techniky

Technické řešení se týká regulátorů napětí, a to takových, kde na výstup je zapojena relativně velká zátěž a kde účelem je regulací napětí měnit okamžitý výkon spotřebičů, zpravidla za účelem úspor elektrické energie.

Dosavadní stav techniky

V současnosti jsou známy regulátory napětí mnoha typů. Běžné jsou například regulátory, vytvořené na principu transformátoru, kde jsou vytvořeny na sekundárním vinutí odbočky, na kterých lze odbírat proud o různém napětí, přičemž regulace spočívá v přepínání výstupu k příslušné odbočce. Takové zapojení je poměrně jednoduché, ale nevýhodou je zde jednak stupňovité a nikoli plynulé přepínání napětí, jednak přepínání vývodů pod plnou zátěží. Navíc pro napájení svítidel je zde podstatná nevýhoda v tom, že při přepínání dochází k přerušení proudu a tak je nutno zdroje světla, kterými jsou často zářivky či výbojky, znovu startovat, což má negativní vliv na jejich životnost. Jsou také známy regulátory, kde se výstupní napětí reguluje na principu použití autotransformátoru, a sice tak, že v sérii se zátěží je uspořádáno vinutí, jehož impedance ovlivňuje napětí, přiváděné na zátěž, přičemž toto vinutí je navinuto na magnetickém jádru, na kterém je ještě navinuto jedno vinutí, sloužící k ovlivňování impedance prvního vinutí. Řídící proud je tak dodáván do druhého vinutí, kde postupně při zvyšování magnetické saturace magnetického jádra se snižuje impedance prvního vinutí, ovlivňující napětí na spotřebiči, resp. na zátěži. Takový regulátor je příkladně popsán ve spise CZ PV 2002-398. Řídící proud se dodává pomocí autotransformátoru, kde jsou vytvořeny ve větším počtu odbočky na vinutí a jejich přepínáním pomocí reléové jednotky se dosahuje změny proudu v řídícím vinutí a následně i změny napětí na zátěži, Zde již sice díky přepínání regulačního vinutí nedochází k mžikovému odpojení zátěže, ale stále se regulace provádí na reléovém přepínacím principu, takže jednak mechanické přepínací prvky s větší tendencí k poruchovosti nejsou odstraněny, jednak regulace pořád zůstává v principu nespojitá. Dále pak v tomto případě sice je uváděna možnost zařazovat zařízení do sítí s různým jmenovitým napětím, ale to pouze díky možnosti doladění proudu do řídícího vinutí v širokém rozsahu, nikoli pro možnost regulovat napětí na zátěži nad okamžitou hodnotu, která je k dispozici v síti. Pokud je požadováno zvýšení napětí na zátěži nad hodnotu, která je momentálně k dispozici v síti, využívá se přičítání napětí od výstupu z autotransformátoru. Zde pak ale zůstává otázkou, do jaké míry je vinutí autotransformátoru dimenzováno na plnou hodnotu zátěžového proudu. Některé z uvedených nevýhod má za cíl odstranit jiné známé řešení, kde podstata regulace spočívá v regulaci magnetické saturace magnetického jádra transformátoru, a to tentokrát na principu mechanického přesouvání jádra v transformátoru do různých poloh, kterým odpovídá různý stupeň utlumení přenosu na tomto transformátoru. Podstatnou nevýhodou je zde ovšem mechanický způsob ovládání, který jednak je méně přesný, jednak má nutně větší tendenci k poruchám, ve srovnání s čistě elektrickým, resp. elektronickým způsobem regulace, kde zařízení je vytvořeno bez pohyblivých částí.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody se redukují v podstatné míře a spolehlivé regulační zařízení s nízkými ztrátami a s možností širokorozsahové regulace se získává regulátorem napětí, především pro regulaci výkonu, podle předkládaného technického řešení, kde regulátor obsahuje toroidní transformátor, s přívodem připojeným na distribuční síť, a zdroj řídícího napětí, a kde podstata spočívá v tom, že v toroidním transformátoru je, v jeho prstencovém magnetickém jádru, s navinutým primárním vinutím a sekundárním vinutím, vytvořena přímá příčka, na které je vytvořeno řídící vinutí, připojené k regulovanému zdroji řídícího napětí. S výhodou je regulovaný zdroj řídícího napětí propojen na přívod od distribuční sítě, je opatřen alespoň jedním, v regulovaném zdroji řídícího napětí zabudovaným, regulačním prvkem a současně obsahuje alespoň jeden, první na-1 CZ 14196 Ul pěťový řídící vstup regulovaného zdroje řídícího napětí, který je propojen na sekundární vinutí. Také může být výhodou, jestliže na regulovaném zdroji řídícího napětí je upraven ještě druhý napěťový řídící vstup regulovaného zdroje řídícího napětí, který je propojen na primární vinutí. Případně může být i výhodou, jestliže na regulovaném zdroji řídícího napětí je upraven ještě alespoň jeden řídící vstup dálkového ovládání, který je propojen na přijímač dálkově přenášeného řídícího signálu. Výhodou může být také, jestliže na regulovaném zdroji řídícího napětí je upraven ještě časovači řídící vstup, propojený s časovacím zařízením. Výhodné je zejména, jestliže v toroidním transformátoru je primární vinutí a sekundární vinutí navinuto v poměru 1 : 1,1 až 1 : 1,3. Ještě výhodnější je, jestliže poměr mezi vinutími se pohybuje v rozmezí od 1 : 1,23 do 1 : 1,27. Také může být výhodou, jestliže k vývodům sekundárního vinutí je připojen blok kompenzace účiníku. V takovém případě může být ještě výhodné, je-li k bloku kompenzace účiníku připojen blok regulace kompenzátoru účiníku, který případně ještě s výhodou může. být propojen na regulovaný zdroj řídícího napětí.

Tím se dosáhne vytvoření regulátoru napětí, který je výrobně relativně levný, provozně vysoce spolehlivý a navíc reguluje výstupní napětí spojitě, přičemž proudová zátěž a tím i vlastní spotřeba regulátoru, je relativně nízká. Již při zapojení pouze prvního napěťového řídícího vstupu regulovaného zdroje řídícího napětí na výstup sekundárního vinutí lze zaručit, pomocí běžných obvodů takového regulovaného zdroje řídícího napětí, že výstupní napětí celého regulátoru se bude automaticky udržovat v úzkých mezích, kde jmenovitá hodnota takového napětí bude dána nastavitelným regulačním prvkem, obsaženým v tomto regulovaném zdroji řídícího napětí. Zařazením zpětné vazby od napětí na primárním vinutí se může přesnost, spolehlivost a pohotovost řízení výstupního napětí ještě zlepšit. Při zařazení dalších řídících vstupů pro regulovaný zdroj řídícího napětí pak lze jednoduše ovládat i v automatickém režimu hodnotu výstupního napětí celého regulátoru, případně s výhodou i dálkově, příkladně pomocí snímačů proměnných parametrů, které mají vliv na okamžitou potřebu výkonu spotřebičů, představujících zátěž, napájenou předmětným regulátorem. Je také možné řízení regulátoru v určitém, například denním cyklu. Pokud je použit toroidní transformátor s převodem 1 : 1,1 až 1 : 1,3, pak lze jednoduše a přímo regulovat napětí na výstupu celého regulátoru i na napětí vyšší, než je momentálně k dispozici v síti, čímž se kompenzuje také pokles napětí v síti, v situaci, kdy buď tento pokles by ohrozil řádný chod napájeného zařízení, nebo kdy tento pokles by zamezoval regulovat výkon napájeného zařízení v takové chvíli na určitou požadovanou minimální hodnotu. Zejména při převodovém poměru v transformátoru v okolí hodnoty 1 : 1,25 se dosahuje zvláště vhodného pokrytí rozsahu regulace jak pro snižování napětí k úspoře příkonu, tak i pro kompenzaci případného podpětí, a to při minimálních regulačních ztrátách. Je-li do regulátoru napětí integrován i kompenzátor účiníku, případně i regulovaný kompenzátor, pak se ještě zvýší účinnost celé regulace, neboť takto bude možno optimalizovat současně činnou složku napětí v rámci měřeného a tím i účtovaného elektrického příkonu regulovaného zařízení. Celkově tak tedy lze dosahovat především jednoduché, přesné a spolehlivé regulace výkonu spotřebičů, například veřejného osvětlení, ale také topných těles, apod.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je dále podrobněji popsáno a vysvětleno na příkladném provedení, a to též s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je schematicky znázorněno základní zapojení regulátoru napětí, podle předkládaného technického řešení, na obr. 2 je ještě patrné schéma zapojení téhož regulátoru napětí, doplněného dalšími řídícími vstupy u regulovaného zdroje řídícího napětí, včetně dálkového ovládání, a konečně na obr. 3 je pak ještě schematicky znázorněno provedení, obdobné předchozímu, ale navíc s doplněným regulovaným kompenzátorem účiníku.

-2CZ 14196 Ul

Příklady provedení technického řešení .

Příklad 1

Regulátor napětí, podle předkládaného technického řešení, obsahuje toroidní transformátor 1 a regulovaný zdroj 2 řídícího napětí, přičemž v toroidním transformátoru i je, vedle primárního vinutí 101 a sekundárního vinutí 102, navinutém na prstencovém magnetickém jádruTO, vytvořena, v jeho zmíněném prstencovém magnetickém jádru 10, přímá příčka 11, na které je vytvořeno řídící vinutí 111, připojené k regulovanému zdroji 2 řídícího napětí. Převodový poměr transformátoru i je zde 1 : 1,1. Regulovaný zdroj 2 řídícího napětí je zde propojen svým druhým napěťovým řídícím vstupem 22 na primární vinutí 101 toroidního transformátoru laje opatřen jedním, v tomto regulovaném zdroji 2 řídícího napětí zabudovaným, regulačním prvkem 20. Přitom především první napěťový řídící vstup 2J. regulovaného zdroje 2 řídicího napětí je propojen na sekundární vinutí 102.

Funkce zařízení je následující. Napětí v síti je zde transformováno až na napětí o asi 10 % vyšší, přičemž tento transformační poměr je selektivně omezován vlivem saturace magnetického jádra 10 pomocí řídícího vinutí 111 na přímé příčce JT. Napětí pro řídící vinutí 111 je regulováno regulovaným zdrojem 2 řídícího napětí, a to nastavením regulačního prvku 20. Informace o skutečném napětí na sekundárním vinutí 102 je přivedena do regulovaného zdroje 2 řídícího napětí prvním napěťovým řídícím vstupem 21 od sekundárního vinutí 102. Tak lze dosahovat regulace sekundárního napětí v rozmezí v praxi na jednu stranu do snížení asi o 30 %, při potřebě snižovat výkon na zátěži, a v situaci, kdy nehrozí výpadek zařízeni vlivem podpětí, nebo naopak při poklesu napětí v síti i do 10 % pod spodní mez funkčnosti určité zátěže lze zvyšovat výstupní napětí tak, aby spotřebič ještě pracoval. Nebo při regulaci například veřejného osvětlení lze snižováním napětí jednak v situacích, kdy při malé zátěži sítě je v síti zvýšené napětí a kdy toto osvětlení má nadbytečný výkon, nebo v době či v místech snížené potřeby intenzity osvětlení, šetřit až 40 % energetických nákladů. Přitom úspory nastanou i prodloužením životnosti zdrojů, které jsou po určitou dobu provozovány za sníženého napětí a po ostatní dobu jsou alespoň chráněny před přepětím. To vše lze dosahovat se zvláště vysokou účinností přenosu energie a s mimořádně nízkými ztrátami v regulaci díky konstrukci, kde se kombinuje toroidní transformátor, doplněný uvnitř toroidu přímou příčkou, nesoucí řídící vinutí.

Příklad 2

Zařízení je obdobné jako v příkladu 1, s tím rozdílem, že je zde zařazen ještě další, řídící vstup 23 dálkového ovládání regulovaného zdroje 2 řídícího napětí, který je propojen na přijímač 3 dálkově přenášeného řídícího signálu. Regulovaný zdroj 2 řídícího napětí je možno ještě ovlivňovat v závislosti na ěase, což je zde ilustrováno vytvořením dalšího, časovacího řídícího vstupu 25 na tomto regulovaném zdroji 2 řídícího napětí, ke kterému je připojeno časovači zařízení 5. V toroidním transformátoru i je v tomto případě primární vinutí 101 a sekundární vinutí 102 navinuto v poměru 1 : 1,25. V tomto provedení je pak možno jednak regulovat napětí v dostatečném rozsahu, pokrývajícím jednak reálné potřeby snižování výkonu zátěží typu především veřejného osvětlení nebo typu elektrických topných zařízení, jednak potřeby udržení i relativně vyšších mezí napětí pro zamezení výpadků náročnějších zařízení vlivem podpětí. Takové řízení je možno provádět v závislosti jednak na dálkově a bezdrátově instalovaných čidlech, zde neznázoměných, jednak i v závislosti na ěase, například v určitém denním režimu, resp. cyklu. Co se týče úpravy vstupu celého zařízení, je zde ještě znázorněno zařazení jistiěového bloku 6, který obecně sice může být zapojován mimo celé popisované zařízení, ale z hlediska sladění proudových režimů je jistou výhodou, je-li tento jističový blok 6 zapojen a dodán jako součást předkládaného regulátoru napětí.

Funkce zařízení je zde obdobná, jako v příkladu 1, s tím rozdílem, že vedle nastavení napětí regulačním prvkem 20, zabudovaným v regulovaném zdroji 2 řídícího napětí, lze napětí regulovat ještě dálkově, příkladně podle dalších parametrů nebo změn situace, snímaných na vzdále-3CZ 14196 Ul ných místech různými čidly, případně ještě také podle určitého časového denního harmonogramu.

Příklad 3

Zařízení je zde podobné, jako v příkladu 2, ale s tím rozdílem, že navíc je zde k vývodům sekun5 dámího vinutí 102 připojen kompenzátor 4 účiníku, který má ještě k sobě připojen blok 4l· regulace kompenzátoru 4 účiníku. Tento blok 41 regulace kompenzátoru 4 účiníku může být ještě propojen přes regulační řídící vstup 24 s regulovaným zdrojem 2 řídícího napětí, kde může získávat některé informace pro úpravu kompenzačního režimu. Tak se ještě podpoří v jediném zařízení úsporný konečný efekt popisovaného regulátoru napětí, neboť úspora elektrické energie io dosažená omezováním výkonu spotřebičů po vhodnou dobu se kombinuje s úsporou měřené energie, resp. s efektivnějším využitím této energie, a to. vlivem zvýšení podílu činné složky napětí, dosaženém právě řízeným kompenzátorem 4 účiníku.

Funkce zařízení je zde opět obdobná, jako v příkladu 2, ale s tím rozdílem, že podíl činné složky napětí na výstupu ze zařízení je zde ještě kompenzací účiníku zvyšován.

Hospodářská využitelnost

Zařízení podle předkládaného technického řešení je využitelné především pro regulaci napětí pro veřejné osvětlení, kde lze podle zkušeností dosahovat až 40 % úspor nákladů na energii a na práci a materiál pro výměnu zdrojů světla. Podobné uplatnění lze pro předkládané řešení najít analogicky i u systémů osvětlení budov, hal a skladů, podzemních prostorů, jako jsou garáže, chodby a stanice podzemních drah, či doly, a podobně. Předkládaný regulátor lze ovšem využít také pro řízení systémů elektrického vytápění, nebo i pro řízení jiných elektrických spotřebičů, kde se žádá relativně levná, spolehlivá a snadno řiditelná regulace, pracující navíc s relativně vysokou účinností.

Claims (10)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   25 1. Regulátor napětí, především pro regulaci výkonu, kde regulátor obsahuje toroidní transformátor, s přívodem připojeným k distribuční síti, a zdroj řídícího napětí, vyznačený tím, že v toroidním transformátoru (1) je, v jeho prstencovém magnetickém jádru (10) s navinutým primárním vinutím (101) a sekundárním vnutím (102), vytvořena přímá příčka (11), na které je vytvořeno řídící vinutí (111), připojené k regulovanému zdroji (
2. 2) řídícího napětí.

   30 2. Regulátor napětí, podle nároku 1, vyznačený tím, že regulovaný zdroj (2) řídícího napětí je propojen na přívod od distribuční sítě, je opatřen alespoň jedním, v regulovaném zdroji (2) řídícího napětí zabudovaným, regulačním prvkem (20) a současně obsahuje alespoň jeden, první napěťový řídící vstup (21) regulovaného zdroje (2) řídícího napětí, který je propojen na sekundární vinutí (102).

   35
3. 3. Regulátor napětí, podle nároků 1 a 2, vyznačený tím, že na regulovaném zdroji (2) řídícího napětí je upraven ještě druhý napěťový řídící vstup (22) regulovaného zdroje (2) řídícího napětí, který je propojen na primární vinutí (101).
4. 4. Regulátor napětí, podle nároků laž3, vyznačený tím, že na regulovaném zdroji (2) řídícího napětí je upraven ještě alespoň jeden řídící vstup (23) dálkového ovládání, který je

   40 propojen na přijímač (3) dálkově přenášeného řídícího signálu.

   -4CZ 14196 Ul
5. 5. Regulátor napětí, podle nároků laž4, vyznačený tím, že na regulovaném zdroji (2) řídícího napětí je upraven ještě časovači řídící vstup (25), propojený s časovacím zařízením (5)·
6. 6. Regulátor napětí, podle nároků laž5, vyznačený tím, že v toroidním transfor5 mátoru (1) je primární vinutí (101) a sekundární vinutí (102) navinuto v poměru T : 1,10 až

   1 : 1,30.
7. 7. Regulátor napětí, podle nároků 1 až 6, vyznačený tím, že v toroidním transformátoru (1) je primární vinutí (101) a sekundární vinutí (102) navinuto v poměru 1 : 1,23 až 1 : 1,27.

   ío
8. 8. Regulátor napětí, podle nároků laž7, vyznačený tím, žek vývodům sekundárního vinutí (102) je připojen kompenzátor (4) účiníku.
9. 9. Regulátor napětí, podle nároku 8, vyznačený tím, že ke kompenzátoru (4) účiníku je připojen blok (41) regulace kompenzátoru (4) účiníku.
10. 10. Regulátor napětí, podle nároku 9, vyznačený tím, že ke kompenzátoru (4) úči15 niku připojený blok (41) regulace kompenzátoru (4) účiníku je ještě propojen přes regulační řídící vstup (24) s regulovaným zdrojem (2) řídícího napětí.