CZ306211B6 - Transformátorová jednotka s řízenou změnou velikosti výstupního napětí - Google Patents

Abstract

Transformátorová jednotka s řízenou změnou velikosti výstupního napětí, určená zejména k napájení světelných signalizačních zařízení, obsahuje zejména transformátor s jedním sekundárním vinutím a vícenásobným primárním vinutím s odbočkami, mikroprocesor, měřicí obvod a soustavu spínacích prvků. Jednotlivé odbočky (2.apst.) primárního vinutí (2) transformátoru (1) jsou připojeny k elektronickým spínacím prvkům (3), jejichž ovládací obvody jsou propojeny s výstupy mikroprocesoru (4), zatímco na vstupy mikroprocesoru (4) je přiveden jednak řídicí signál programátoru (5) změn výstupního napětí transformátorové jednotky a jednak výstupní signál měřicího obvodu (6) detekce amplitudy vstupního napětí transformátorové jednotky. Měřicím obvodem (6) detekce amplitudy vstupního napětí transformátorové jednotky je dvojitý diferenciální měřicí obvod skládající se z přístrojového zesilovače a z analogově digitálního převodníku.

Description

Transformátorová jednotka s řízenou změnou velikosti výstupního napětí

Oblast techniky

Vynález se týká transformátorové jednotky s řízenou změnou velikosti výstupního napětí, určené zejména k napájení světelných signalizačních zařízení - jako součást řadiče světelných signalizačních zařízení pro řízení návěstidel těchto zařízení s možností měnit velikost jejich svítivosti (stmívání) v závislosti na velikosti jejich napájecího napětí.

Dosavadní stav techniky

Velikost střídavého výstupního napětí transformátoru se může měnit pomocí přepínání odboček vinutí buď na straně primární, nebo sekundární.

Přepínání odboček na straně sekundární přináší zejména při vyšších výkonech značné komplikace spojené s velkými proudovými rázy při připojení kjiné odbočce. Eliminace těchto problémů přináší vysoké technické nároky a s nimi nutně spojené zvýšené náklady.

Při přepínání odboček na straně primární k těmto problémům nedochází - pracuje se s podstatně menšími proudy. Na druhé straně zde ale dochází ke krátkodobému odpojení transformátoru od sítě a v jeho důsledku pak ke ztrátě sycení jádra transformátoru.

Existující řešení, týkající se řízení transformátoru (s cílem měnit výstupní napětí nebo protékající proud sekundárním vinutím transformátoru), jsou specificky zaměřeny na konkrétní oblasti použití.

Např. patent USA 5 726 561 řeší specifické zadání, tzv. automatickou napěťovou regulaci (AVR) napájecí sítě. Přesným úkolem je z libovolného vstupního měnícího se napětí poskytnout na výstupu jedno pevné konstantní napětí. Svým určením se tedy liší od aplikace napájeni světelných signalizačních zařízení předloženého návrhu, kde jsou především požadována dvě přepínatelná rozdílná napětí na sekundární straně. Podle popsané funkce jsou u zde popsaného řešení jednotlivé pracovní kroky prováděny v režimu 50 msec, což je delší doba než požaduje zadání u napájení světelných signalizačních zařízení.

Patent USA 6 351 105 je zaměřen na řízení elektrického ohřevu, pomocí přepínání odboček na sekundární straně transformátoru, při čemž použitý transformátor má jen jednu primární cívku. Používá se zde tedy přepínání na sekundární straně a doba přepnutí není řešena.

Evropský patent 0 637 122 specificky řeší řízení autotransformátoru. Úkolem je stabilizace napájecího napětí pro spotřebiče, přičemž vstupem je kolísající napětí napájecí (distribuční) sítě.

Mezinárodní patentová přihláška PCT WO 2006/045 948 řeší přepínání odboček primárního vinutí transformátoru. Řešení je však pro napájení průmyslových elektrických pecí, kde výstupní napětí transformátoru je velmi malé (10V) a je potřebný proud velmi vysoký. Nevadí zde krátkodobý výpadek napětí na sekundární straně, aleje potřeba řídit přepínání odboček tak, aby napájecí síť nebyla zatížena harmonickými frekvencemi. Způsob volby typu přepínačů odboček a způsob ovládání přepínačů odboček je specifický právě pro tento účel.

Patent USA 5 289 110 zase řeší napájení osvětlení letištní plochy, které je vybaveno žárovkami, tak, že zaručuje konstantní proud tekoucí žárovkou. K tomu využívá transformátor s odbočkami, ovšem reguluje jej tak, že cílem není nastavení určeného výstupního napětí transformátoru, ale udržování předepsaného konstantního proudu tekoucího sekundárním obvodem. Patentované

- 1 CZ 306211 B6 řešení dále umožňuje volbu proudu na výstupu, a to v závislosti na proudu protékajícím vstupním napájecím obvodem, jehož změnou má být určitým způsobem regulován výstupní proud.

Řešení podle mezinárodní patentové přihlášky PCT WO 97/ 05 536 používá transformátor s pri5 márním vinutím s odbočkami a s jedním sekundárním vinutím. Z hlediska aplikace je toto řešení zaměřeno na energetiku a distribuční sítě, kdy je cílem nahrazení původní mechanické regulace napětí distribuční sítě mechanickým přepínačem odboček. Hlavním zaměření je tedy regulace napětí v síti v rámci stanovených mezí, další v přihlášce zmíněné možná použití se týkají omezování harmonických napětí a proudů v síti a jsou zmíněny možné aplikace fázové a pulzně-šířkové 10 regulace zátěže.

Patent Velké Británie 2 220 088 specificky řeší napájení HID lamp (vysocesvítivé výbojky). Úkolem je zajištění konstantního napájení lampy při proměnách napětí v napájecí síti. Za tímto účelem je použito upravené tlumivky, která má na svém jediném vinutí odbočky.

Japonská patentová přihláška 5 913 5517 řeší optimalizaci vstupního napájení do napájecího obvodu na sekundární straně transformátoru. Protože zmíněný napájecí obvod pracuje efektivně jen v určeném rozsahu, a transformátor, který jej napájí je připojen ke kolísající napájecí síti, není původně zaručeno, že v případě větších výchylek napětí v napájecí síti bude na sekundárním 20 vinutí transformátoru, napájejícím zmíněný obvod, napětí v požadovaném rozsahu. Za tímto účelem zavádí uvedené řešení zpětnou vazbu, kde je měřeno napětí na sekundární straně transformátoru, a na základě odchylek je přepínán přívod napětí na konkrétní odbočky na primární straně transformátoru.

Německý patent 3 331 614 řeší přepínání odboček na sekundární straně transformátoru, přičemž doba přepnutí je mnohem delší, než je požadováno u napájení světelných signalizačních zařízení.

Z výše uvedeného přehledu je zřejmé, že ve známých patentových dokumentech jsou popsány i různé možnosti, jak dosáhnout požadovaného cíle, ale žádné z uvedených řešení nepopisuje 30' postup, který u typů transformátorů, používaných pro napájení světelných signalizačních zařízení (tj. toroidní transformátor 500 VA až 2000 VA) dosáhne zaručené doby přepnutí odboček, bez vlivu na jistící prvky transformátoru (tj. bez nárazových proudů).

Podstata vynálezu

K odstranění těchto nedostatků přispívá do značné míry transformátorová jednotka s řízenou změnou velikosti výstupního napětí podle vynálezu, obsahující zejména transformátor s jedním sekundárním vinutím a vícenásobným primárním vinutím s odbočkami, mikroprocesor, měřicí 40 obvod a soustavu spínacích prvků.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že jednotlivé odbočky primárního vinutí transformátoru jsou připojeny k elektronickým spínacím prvkům, jejichž ovládací obvody jsou propojeny s výstupy mikroprocesoru. Na vstupy mikroprocesoru je přiveden jednak řídicí signál programátoru změn 45 výstupního napětí transformátorové jednotky a jednak výstupní signál měřicího obvodu detekce amplitudy vstupního napětí transformátorové jednotky. Měřicím obvodem detekce amplitudy vstupního napětí transformátorové jednotky je při tom dvojitý diferenciální měřicí obvod skládající se z přístrojového zesilovače a z analogově digitálního převodníku.

Řešení transformátorové jednotky podle vynálezu umožňuje, že výše uvedeným specifickým řízením odboček na primární straně dojde ke změně výstupního napětí ve velmi krátkém časovém intervalu o délce do 50 ms, aniž by při výměně odboček na primárním vinutí došlo k odpojení transformátoru od sítě.

-2CZ 306211 B6

Některá známá řešení nabízejí sice principiálně podobnou sestavu prvků, tj. mikroprocesorem řízení spínací prvky, ovládající odbočky transformátoru. Podstatou vynálezu je ale konkrétní způsob řízení těchto prvků. Bylo-li by např. v lidských silách ručně dle daného principu spínat napětí na dané odbočky, dosáhlo by se stejného výsledku. Tento princip je založen na dodržení stejnosměrné rovnováhy mezi půlperiodami přivedeného napětí napájecí sítě, což je požadavek při provozu transformátoru. Pokud se u daného zadání, při provádění uvedeného přepínacího postupu, provede nepatrná odchylka v časování u tohoto postupu, transformátor téměř okamžitě reaguje nárazovým proudem (dojde k porušení stejnosměrné rovnováhy). Protože nestačí jen jednoduše přepnout odbočky mezi sebou (byť „ve správný okamžik“), bylo potřeba vytvořit zde popsaný, konkrétní princip, tedy řešení tohoto problému.

Jak bylo zmíněno, ostatní známé patenty řeší buď především uspořádání elektronických součástí, nebo řeší přepínací postupy ale s úplně jinými cíli oproti tomuto vynálezu, kde tyto cíle jsou rozdílné od aktuálních potřeb světelných signalizačních zařízení a kde zmíněné postupy jednoznačně nejsou použitelné pro řešení těchto potřeb ani nevedou k dopracování takového řešení - které je založeno na postupném, pro transformátor vhodném a transformátorem akceptovaném, předání napájení mezi odbočkami a ustálení chodu transformátoru na novou odbočku, přičemž nevznikne jakýkoliv nárazový proud.

Objasnění výkresu

K. bližšímu objasnění podstaty vynálezu slouží přiložený výkres, kde představuje obr. 1 - blokové schéma transformátorové jednotky podle vynálezu v příkladném provedení určeném k napájení světelných signalizačních zařízení;

obr. 2 - schematické znázornění časového průběhu přepínacího cyklu.

Příklad uskutečnění vynálezu

Transformátorová jednotka s řízenou změnou velikosti výstupního napětí v příkladném provedení určeném k napájení světelných signalizačních zařízení (viz obr. 1) obsahuje transformátor 1 s jedním sekundárním vinutím a vícenásobným primárním vinutím 2 s odbočkami 2’, mikroprocesor 4, měřicí obvod 6 a soustavu spínacích prvků 3.

Napájecí transformátor 1 má jedno sekundární vinutí, dimenzované na patřičný proudový odběr, s napětím naprázdno odpovídajícím nejvyššímu provoznímu napětí připojeného zařízení (návěstidel světelného signalizačního zařízení). Ve výchozím stavu, tj. tehdy, kdy nejsou ve ztlumeny, je na sekundárním vinutí právě toto napětí.

Primární vinutí 2 je připraveno pro provoz na síťové napájecí napětí, které bude dostupné v místě určení. Jednotlivé odbočky 2’ primárního vinutí 2 jsou připojeny k samostatným elektronickým (bezkontaktním) spínacím prvkům 3 (triak), jejichž ovládací obvody jsou propojeny s výstupy mikroprocesoru 4. Na vstupy mikroprocesoru 4 je přiveden jednak řídicí signál programátoru 5 změn výstupního napětí transformátorové jednotky a jednak výstupní signál měřicího obvodu 6 detekce amplitudy vstupního napětí transformátorové jednotky.

Měřicím obvodem 6 detekce amplitudy vstupního napětí transformátorové jednotky je dvojitý diferenciální měřicí obvod, skládající se z přístrojového zesilovače a z analogově-digitálního převodníku. Vzorkováním (analogově-číslicovými převody) jsou čteny získané diferenciální hodnoty napětí přivedeného na vstupy těchto přístrojových zesilovačů. Vhodným připojením konkrétního napětí na konkrétní vstupy je získán přesný přehled o stavu napájecí sítě, a díky převzorkování taky dostatečně přesná časová poloha pro aktuální úroveň napětí napájecí sítě.

- 3 CZ 306211 B6

Zapojení je realizováno tak, že určité vstupy obou přístrojových zesilovačů jsou připojeny na společný nulový vodič napájecí sítě a určitý vstup jednoho ze zesilovačů je připojen přes správně dimenzovaný rezistorový dělič na fázové napětí; další vstup druhého zesilovače je připojen na nulový vodič (jsou tedy připojeny tři nulové body a jeden fázový). Toto zapojení zesilovačů na svém výstupu, tedy na vstupu analogově-digitálního převodníku, poskytuje upravené napětí poměrově odpovídající napětí na fázovém a nulovém vodiči, přičemž případné rozptyly parametrů součástek jsou promítnuty do obou těchto výstupních napětí současně a stejně.

Matematickou operací na digitální straně, tj. odečtením vzorků z kanálu pro fázové napětí a vzorku pro nulový vodič, se získá přesná okamžitá hodnota fázového napětí, a dále se získá i informace o tom, zda-li se toto napětí nachází v kladné nebo záporné půlvlně - tedy zda-li je digitální hodnota vzorku fázového napětí menší než digitální hodnota vzorku pro nulový vodič a naopak. Jsou-li oba vzorky shodné, jedná se o průchod síťového napětí nulou. Toto je detekováno dvěma způsoby - interním komparátorem, který může při shodnosti vyvolat programové přerušení, v závislosti na realizaci obsluhy analogově-digitálního převodníku přímým porovnáním digitálních vzorků. Toto řešení umožňuje nezpožděnou synchronizaci se stavem napětí v napájecí síti, což je pro další postup nezbytné.

V okamžiku, kdy je potřeba provést změnu napětí na sekundární straně, obdrží zařízení k tomu určený příkaz z programátoru 5 změn výstupního napětí transformátorové jednotky. Zahájení přepínacího cyklu je synchronizováno s nejbližším průchodem napětí napájecí sítě nulovou úrovní. V ten okamžik jsou stanoveny časové konstanty pro jednotlivé kroky algoritmu.

Po dobu jedné až dvou period se transformátor připraví na nové provozní podmínky (napájení jinou odbočkou), přičemž ani v jedné periodě síťového napětí nezůstává transformátor bez napájení (není odpojen od sítě). Po proběhnutí druhé přípravné periody už je trvale použita jen nová odbočka.

Na schématickém znázornění časového průběhu přepínacího cyklu (viz obr. 2) jsou patrny následující charakteristické body (okamžiky cyklu):

a) okamžik, kdy zařízení obdrží příkaz k přepnutí. Tento okamžik nemá časovou souvislost s aktuální amplitudou síťového napětí (tzn. může přijít kdykoliv).

b) Čekání na nejbližší průchod nulou kvůli celkové synchronizaci. Doba trvání od okamžiku b) až po g) je 45 milisekund.

c) Okamžik, kdy před nejbližším průchodem napětí maximální amplitudou se změní stav řízení všech odboček transformátoru.

d) Okamžik, kdy v opačně orientované půlvlně, se změní řízení triaku nové odbočky (nedošlo k vypnutí a znovu zapnutí, to by nastalo až v případě, kdy by byla vynechána celá jedna perioda; v transformátoru je stále akumulována energie, kdy je na vinutí indukováno napětí opačné polarity pro zachování směru proudu, proto se přechází na jinou odbočku z bodu c) do bodu d)).

e) Okamžik nulového proudu indukční zátěží.

f) Změna v řízení triaku v místě největší amplitudy napětí.

g) Okamžik plného využití nové odbočky.

Poznámka: vynález neřeší prvotní zapnutí napájecího transformátoru, k tomu je využit existující komerčně dostupný, externí prvek.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Transformátorová jednotka s řízenou změnou velikosti výstupního napětí, určená zejména k napájení světelných signalizačních zařízení, obsahující zejména transformátor s jedním sekundárním vinutím a vícenásobným primárním vinutím s odbočkami, mikroprocesor, měřicí obvod a soustavu spínacích prvků, vyznačující se tím, že jednotlivé odbočky (2’) primárního vinutí (2) transformátoru (1) jsou připojeny k elektronickým spínacím prvkům (3), jejichž ovládací obvody jsou propojeny s výstupy mikroprocesoru (4), zatímco na vstupy mikroprocesoru (4) je přiveden jednak řídicí signál programátoru (5) změn výstupního napětí transformátorové jednotky a jednak výstupní signál měřicího obvodu (6) detekce amplitudy vstupního napětí transformátorové jednotky, při čemž zmíněným měřicím obvodem (6) detekce amplitudy vstupního napětí transformátorové jednotky je dvojitý diferenciální měřicí obvod skládající se z přístrojového zesilovače a z analogově digitálního převodníku.