Регулятор напряжения для систем освещения

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к регуляторам и стабилизаторам напряжения переменного тока, и предназначается для использования в системах электроснабжения осветительных установок наружного освещения для регулирования и стабилизации однофазного напряжения сети переменного тока 220 В, 50 Гц. Регулятор напряжения для систем освещения, включает в себя регулировочный блок, а также блок управления. При этом регулировочный блок содержит автотрансформатор и подключенные к его отводам коммутаторы регулировки напряжения, а блок управления содержит микроконтроллер, входы которого соединены по крайней мере с датчиком входного напряжения, датчиком выходного напряжения, датчиком тока нагрузки, а выходы соединены по крайней мере с управляющими входами коммутаторов регулировки напряжения, обеспечивающими по сигналу микроконтроллера переключение отводов автотрансформатора для получения на нагрузке расчетного выходного напряжения. Предлагаемый регулятор позволяет повысить КПД за счет уменьшения количества трансформаторов тока, повысить быстродействие, получить достаточную точность регулятора при минимальном количестве ключей в коммутаторах. Использование блока управления регулятором, содержащего микроконтроллер, позволяет повысить надежность работы за счет значительного уменьшения количества дискретных электронных элементов и обработки значительного числа аварийных ситуаций. 4 з.п. ф., 1 илл.

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к регуляторам и стабилизаторам напряжения переменного тока, и предназначается для использования в системах электроснабжения осветительных установок наружного освещения для регулирования и стабилизации однофазного напряжения сети переменного тока 220 В, 50 Гц.

Известен регулятор напряжения, содержащий трансформатор с первичной обмоткой, имеющей два зажима, и вторичной обмоткой, имеющей три зажима, к которым подключены компенсирующие активно-реактивные сопротивления и встречно включенные управляемые вентили, к стороне источника энергии подключено устройство управления вентилями (Заявка JP48-40932, публикация 1973 г., 04. XII, 4-1024.) Напряжение на нагрузке регулируют посредством управления углом открытия встречно-параллельно включенных управляемых вентилей. Данный регулятор напряжения имеет большие габариты, поскольку питание нагрузки осуществляется посредством трансформатора, кроме этого, регулятор напряжения создает высокие помехи из-за коммутации управляемыми вентилями тока нагрузки.

Известен феррорезонансный стабилизатор напряжения (Электрические стабилизаторы, БСЭ, М. 1976, стр.388.), который имеет сетевую катушку и катушку фильтра, автотрансформатор и конденсатор. Данный феррорезонансный стабилизатор имеет большие габариты, поскольку энергия потребителю поступает от феррорезонансного шунта автотрансформатора.

Известен регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное (Авторское свидетельство SU 1697061, G05F 1/30, Н02М 5/12, Бюл. 45 07.12.91.). Данное устройство содержит согласующий и вольтодобавочный трансформаторы и однонаправленные управляемые ключи, подсоединенные к первичной обмотке согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого является источником выходного напряжения. Первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора содержит две одинаковых встречно включенных обмотки, а вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора включена последовательно выходному напряжению. Устройство сложно, имеет большие габариты и вес в виду наличия двух трансформаторов, один из которых обеспечивает питание нагрузки и вольтодобавочный трансформатор с одинаковыми первичными обмотками и низкий КПД, а также осуществляет регулирование напряжения только при изменении входного напряжения в сторону повышения, что не позволяет достигнуть технического результата предлагаемой полезной модели. Данное устройство взято за прототип.

Основной задачей настоящей полезной модели явилось создание нового регулятора напряжения, который может быть использован для систем освещения, и характеризовался бы меньшими габаритами, обеспечивал бы более высокий КПД по сравнению с прототипом и возможность регулирования напряжения, как в большую, так и в меньшую сторону.

Еще одной задачей полезной модели явилось создание регулятора напряжения, обеспечивающего управление системами внешнего освещения на основе показаний естественной освещенности и календарного графика использования.

Основная задача решается в регуляторе напряжения для систем освещения, включающий в себя регулировочный блок, а также блок управления, в котором согласно полезной модели, регулировочный блок содержит автотрансформатор и подключенные к его отводам коммутаторы регулировки напряжения, а блок управления содержит микроконтроллер, входы которого соединены по крайней мере с датчиком входного напряжения, датчиком выходного напряжения, датчиком тока нагрузки, а выходы соединены по крайней мере с управляющими входами коммутаторов регулировки напряжения, обеспечивающими по сигналу микроконтроллера переключение отводов автотрансформатора для получения на нагрузке расчетного выходного напряжения.

Предлагаемый регулятор позволяет повысить КПД за счет уменьшения количества трансформаторов тока, повысить быстродействие, получить достаточную точность регулятора при минимальном количестве ключей в коммутаторах. Использование блока управления регулятором, содержащего микроконтроллер, позволяет повысить надежность работы за счет значительного уменьшения количества дискретных электронных элементов и обработки значительного числа аварийных ситуаций, также повышается точность измерений и объем отображаемой информации, снижается стоимость регулятора. За счет взаимосвязи микроконтроллера с датчиками напряжения и тока нагрузки, а также соединения выходов микроконтроллера с управляющими входами коммутаторов регулировки напряжения в заявленном устройстве используется комбинированный способ регулирования выходного напряжения по входу и выходу автотрансформатора, что обеспечивает КПД до 97% и возможность регулирования напряжения, как в большую, так и в меньшую сторону.

В предпочтительном случае регулятор содержит также датчик внешней освещенности, соединенный с одним из входов микроконтроллера, и соединенное с одним из выходов микроконтроллера устройство регулировки яркости приборов освещения напряжением 0-10 В постоянного тока. Наличие связи микроконтроллера с датчиком освещенности и устройством регулировки яркости приборов освещения позволяет с учетом ранее описанной совокупности признаков управлять системами внешнего освещения на основе показаний естественной освещенности, а также позволяет с помощью микроконтроллера управлять освещением на основе заданного графика.

В частном случае один из выходов микроконтроллера может быть соединен с вентилятором резервного охлаждения, причем один из входов соединяется с датчиком-термостатом. В дополнительных частных случаях выходы микроконтроллера соединены с устройством отображения информации о состоянии регулятора, и устройством дистанционного контроля. В указанных частных случаях дополнительно обеспечивается автоматическое отключение при аварии, непрерывный контроль исправности силовых элементов, цифровая индикация режимов работы, протоколирование параметров и режимов работы в энергонезависимой памяти, удаленное механическое управление включением/выключением нагрузки, а также включением/выключением энергосберегающего режима, а также дистанционный контроль режима эксплуатации и диагностика осветительной установки, что существенно расширяет функциональные возможности регулятора по сравнению с известными аналогами.

Полезная модель поясняется далее более подробно на примере ее осуществления со ссылкой на схему регулятора напряжения (далее регулятор), представленную на фиг.1.

Регулятор содержит регулировочный блок, в который входит автотрансформатор 1, с отводами, которые подключены к соответствующим коммутаторам регулировки T1-Т6. Блок управления регулятором содержит микроконтроллер 2, входы которого соединены с датчиком входного напряжения 5, датчиком выходного напряжения 6, датчиком тока нагрузки 7, датчиком внешней освещенности 8, датчиками-термостатами температуры 9, 10 и устройством механического удаленного управления 11, а выходы микроконтроллера соединены с управляющими входами коммутатора регулировки напряжения T1-Т6, вентилятором резервного охлаждения 12, устройством регулировки яркости приборов освещения напряжением 0-10 В постоянного тока 15, устройством отображения информации о состоянии регулятора 3, и устройством дистанционного контроля 4.

Коммутаторы регулировки T1-Т6 выполнены как электронные - тиристорные блоки, состоящие из пар встречно параллельно включенных тиристоров, соединенных с отводами автотрансформатора 1. Управление тиристорными блоками осуществляется, например, микросхемой МОС3083.

Дистанционный контроль выполняется на основе открытого международного стандарта взаимодействия систем автоматизации зданий ISO/IEC 14908.1 с использованием трансивера FTT10 в рамках коммуникационной сети свободной топологии. Устройство дистанционного контроля 4 предоставляет следующую информацию: уровень напряжения питания, напряжения и тока нагрузки; текущее состояние регулятора; протокол состояний регулятора и параметров питания осветительной установки.

Устройство дистанционного контроля 4 также обеспечивает выполнение следующих управляющих воздействий: включение/отключение питания системы освещения; включение/отключение энергосберегающего режима питания системы освещения; корректировку настройки уровня освещенности для автоматического управления системой освещения; настройку расписания переключения режимов осветительной установки с соответствии с графиком эксплуатации определенного объекта освещения; настройку параметров протоколирования работы регулятора; загрузку алгоритма автоматического регулирования напряжения на нагрузке с целью энергосбережения для системы освещения с определенными P-U характеристиками.

Регулятор работает следующим образом.

Входное напряжение с клемм разъема ВХОД после включения автоматического выключателя 14 поступает на автотрансформатор 1. Микроконтроллер 2 с помощью датчика входного напряжения 5 производит измерение величины входного напряжения. Если входное напряжение меньше нижней границы установленного диапазона напряжения в пределах допустимой погрешности по ГОСТ 13109-97, то микроконтроллер 2 производит подключение повышающей обмотки автотрансформатора 1. Выбор обмотки производится в соответствии с величиной отклонения. Если входное напряжение больше верхней границы установленного диапазона напряжения в пределах допустимой погрешности по ГОСТ 13109-97, то микроконтроллер 2 производит подключение понижающей обмотки автотрансформатора 1. Выбор обмотки производится в соответствии с величиной отклонения. Так производится первоначальное включение регулятора.

Дальнейшая работа регулятора происходит следующим образом: при изменении входного напряжения с помощью датчика входного напряжения 5 в номинальном диапазоне напряжения сети устройство управления регулятором подает команды на управляющие входы коммутаторов регулировки T1-Т6, которые переключают отводы автотрансформатора 1 таким образом, чтобы обеспечить на выходе регулятора напряжение, соответствующее номинальному диапазону выходного напряжения в пределах допустимой погрешности по ГОСТ 13109-97. Если входное напряжение становится меньше нижней границы установленного диапазона напряжения в пределах допустимой погрешности по ГОСТ 13109-97, то микроконтроллер производит подключение повышающей обмотки автотрансформатора 1. Выбор обмотки производится в соответствии с величиной отклонения. Если входное напряжение становится больше верхней границы установленного диапазона напряжения в пределах допустимой погрешности по ГОСТ 13109-97, то микроконтроллер 2 производит подключение понижающей обмотки автотрансформатора 1. Выбор обмотки производится в соответствии с величиной отклонения.

В соответствии с определенными P-U характеристиками подключенной системы освещения возможно изменять уровень напряжения для обеспечения режима энергосбережения. Специалисту также будет возможно определить алгоритм постепенного наращивания напряжения на приборах освещения до значений согласно ГОСТ 13109-97, обеспечивая щадящий режим запуска, способствующий продлению срока службы ламп. Кроме того, управление режимами работы осветительной установки может осуществляться на основе информации о внешней освещенности и расписании эксплуатации объекта освещения.

Управление происходит следующим образом, если фиксируется достаточный уровень внешней освещенности (с помощью датчика освещенности 8), то происходит отключение системы освещения. Если уровень освещения снижается ниже установленного значения, то происходит включение системы освещения. Может быть предусмотрен временной гистерезис управления, а также гистерезис по значению изменения освещенности. Расписание эксплуатации объекта освещения определяет рабочие, нерабочие часы и праздничные дни. В нерабочие часы освещение может эксплуатироваться в энергосберегающем режиме на пониженном напряжении питания в соответствии с характеристиками применяемых светильников.

Точность регулирования определяется величиной напряжения между соседними отводами, высокая скорость измерения параметров достигается путем дискретизации измерения входного напряжения, выходного напряжения, тока нагрузки за один период сетевого напряжения, что обеспечивает время регулирования напряжения переменного тока частотой 50 Гц при выходе за диапазон допустимого установившегося отклонения согласно ГОСТ 13109-97 не более 20 мс.

Результаты измерений входного и выходного напряжений, потребляемой мощности, и других вспомогательных параметров микроконтроллер выводит на устройство 3 отображения информации о состоянии регулятора. При изменении входного напряжения в номинальном диапазоне блок управления регулятора (микроконтроллер 2) подает команды на управляющие входы коммутаторов Т1-Т6, которые подключают один из отводов автотрансформатора 1 таким образом, чтобы обеспечить на нагрузке напряжение, соответствующее номинальному диапазону выходного напряжения в пределах допустимой погрешности.

Переключение производится после того, как микросхема драйвера тиристорных блоков определяет момент перехода тока в контуре нагрузки через ноль. Точность стабилизации определяется величиной напряжения между соседними отводами автотрансформатора, так при 6 отводах автотрансформатора номинальный диапазон входного напряжения составляет от 150 В до 290 В при точности стабилизации ±5%, что позволяет обеспечить соблюдение требований ГОСТ 13109-97 к установившемуся отклонению напряжения нагрузки. Точность может варьироваться путем изменения числа обмоток трансформатора и количества коммутаторов регулировки, тем самым, обеспечивая создание на основе предлагаемой модели высокоточных регуляторов напряжения. Переключение при нуле тока исключает искажения напряжения сети. Дополнительно микросхемы МОС 3083 обеспечивают гальваническую изоляцию устройства управления от силовых цепей.

В случае выхода величины входного напряжения за пределы рабочего диапазона, который несколько превышает номинальный диапазон, блок управления регулятором отключает все отводы автотрансформатора 1, участвующие в регулировании, подача выходного напряжения на клеммы прекращается. После нормализации входного напряжения, то есть при входе величины входного напряжения в рабочий диапазон, блок управления возобновляет работу по регулированию выходного напряжения. Кроме того, блок управления регулятором может отслеживать ряд аварийных ситуаций, при наступлении которых прекращается подача выходного напряжения на клеммы подключения нагрузки. Информацию об аварийных ситуациях микроконтроллер выводит на устройство отображения информации о состоянии регулятора и передает по интерфейсу дистанционного контроля.

Таким образом, заявленный регулятор напряжения позволяет осуществить:

1) Регулирование напряжения на нагрузке в соответствии требованиями ГОСТ 13109-97 к диапазону допустимого установившегося отклонения напряжения;

2) Питание систем освещения в режиме, позволяющем уменьшить потребление электроэнергии и продлить срок службы;

3) Управление системами внешнего освещения на основе показаний естественной освещенности и календарного графика использования;

4) Регулирование светового потока систем освещения, оборудованных пуско-регулирующей аппаратурой, оснащенной входом управления 0-10 В;

5) Непрерывный контроль напряжения на входе и выходе;

6) Непрерывный контроль тока нагрузки;

7) Автоматическое отключение при аварии;

8) Непрерывный контроль исправности силовых элементов;

9) Цифровую индикацию режимов работы;

10) Протоколирование параметров и режимов работы в энергонезависимой памяти;

11) Удаленное механическое управление включением/выключением нагрузки, а также включением/выключением энергосберегающего режима;

12) Дистанционный контроль режима эксплуатации и диагностику осветительной установки.

В заключение следует отметить, что вышеописанные конкретные примеры предназначены только для лучшего понимания сущности полезной модели и не могут рассматриваться в качестве ограничивающих объем испрашиваемой правовой охраны, который определяется исключительно прилагаемой формулой.

1. Регулятор напряжения для систем освещения, включающий в себя регулировочный блок, а также блок управления, отличающийся тем, что регулировочный блок содержит автотрансформатор и подключенные к его отводам коммутаторы регулировки напряжения, а блок управления содержит микроконтроллер, входы которого соединены по крайней мере с датчиком входного напряжения, датчиком выходного напряжения, датчиком тока нагрузки, а выходы соединены по крайней мере с управляющими входами коммутаторов регулировки напряжения, обеспечивающими по сигналу микроконтроллера переключение отводов автотрансформатора для получения на нагрузке расчетного выходного напряжения.

2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что он содержит также датчик внешней освещенности, соединенный с одним из входов микроконтроллера, и соединенное с одним из выходов микроконтроллера устройство регулировки яркости приборов освещения напряжением 0-10 В постоянного тока.

3. Регулятор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что один из выходов микроконтроллера соединен с вентилятором резервного охлаждения, причем один из входов соединяется с датчиком-термостатом.

4. Регулятор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что выходы микроконтроллера соединены с устройством отображения информации о состоянии регулятора.

5. Регулятор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что выходы микроконтроллера соединены с устройством дистанционного контроля.