Нормализатор напряжения сети. Принципы построения.

А.П.Кривецкий
В статье описан общий подход к построению недорогого нормализатора напряжения
электрической сети переменного тока на основе автотрансформатора с 4-мя отводами,
коммутируемых симисторными ключами. Рассматривается способ уменьшения шага переключения с помощью фазовой вольтодобавки,
без изменения структуры устройства.

Сетевое напряжение, особенно в слабых сетях пригородных районов, подвержено значительным колебаниям, далеко выходящих за стандартный допуск ±10%. К счастью электрическая прочность многих бытовых приборов позволяет им выдерживать даже выходы напряжения за пределы 20-ти процентного допуска. Не все приборы имеют блоки питания, допускающие широкие пределы изменения питающих напряжений, поэтому нормальная их работа не гарантируется. Кроме того, слишком повышенное или пониженное напряжение пагубно влияет на их долговечность.

Эта проблема не нова и существует в разных странах. Не даром, например, в Германии для провинциальных районов выпускаются электронные и электромеханические устройства, поддерживающие напряжение в сети жилого дома в допустимых пределах.

Наиболее компактными получаются устройства на основе автотрансформаторов со ступенчатым переключением обмоток. В периодических изданиях [1-4] описывалось много вариантов таких устройств, для самостоятельного изготовления. Во всех этих устройствах явно просматривается попытка увеличения числа ступеней для уменьшения шага переключения (автору доводилось видеть до 12). Это приводит к неоправданному усложнению описанных устройств. Кроме того, в них нерационально используется автотрансформатор, который, как правило, имеет фиксированное включение в сеть, где напряжение меняется в широких пределах, и переключаемое подключение нагрузки, где напряжение меняется в узких пределах [4]. Но, самое главное, во многих подобных электронных устройствах [4…6] неправильно осуществляется коммутация симисторных ключей, что вызывает справедливые нарекания пользователей, а иногда и неработоспособность стабилизаторов в реальных условиях.

В статье, по мнению автора, предлагается более рациональный подход к проектированию подобных устройств.

В данном случае, целесообразнее ставить задачу не стабилизации, а нормализации сетевого напряжения, т.е. поддержание его в пределах стандартного 10% допуска. Это позволит упростить и удешевить устройство.

На рис. 1 приведена структурная схема нормализатора напряжения сети. Он состоит из автотрансформатора Т, симисторных ключей VS1 – VS5, VSд, датчика тока, датчика напряжения и системы управления.

Автотрансформатор подключается к сети с помощью симисторных ключей. Мощность автотрансформатора при максимальном коэффициенте трансформации 1,2 будет составлять 20% от максимальной мощности нагрузки без учета КПД, т.к. автотрансформатор в отличие от трансформатора трансформирует лишь часть мощности. Ключ VS5 полностью отключает автотрансформатор при коэффициенте трансформации равном 1. Это повышает экономичность, т. к. любой трансформатор имеет, хоть и небольшой, ток холостого хода, при котором в пересчете на год дополнительно потребляются сотни киловатт электроэнергии. Ток этого ключа так же будет составлять около 20% от тока ключей VS1 – VS4, опять же без учета КПД. Дополнительный ключ VSд (показан цветом) позволяет полностью отключать нормализатор и нагрузку в аварийных ситуациях, оставляя слежение за состоянием сети для автоматического включения. Применение дополнительного ключа позволяет снизить требования по допустимому напряжению к остальным ключам, т.к. они оказываются соединенными последовательно с VSд.

Структурная схема нормализатора сети

    Предлагаемая передаточная характеристика нормализатора показана на рис.2.Нагрузка подключается постоянно к одному из отводов, сеть подключается через один из ключей (VS1 – VS4) в зависимости от входного напряжения и выбранного диапазона (d1 – d4 соответственно). Это позволяет уменьшить избыточность автотрансформатора, т.к. вся обмотка рассчитана на максимальное напряжение. При обратном включении, например [4,5], когда сеть постоянно подключена к одному из отводов, а нагрузка переключается, обмотка до сетевого отвода должна быть рассчитана на максимально возможное напряжение. А чтобы автотрансформатор мог быть еще и повышающим, пришлось бы добавлять еще обмотки вслед за этой.

На этом рисунке показаны характеристики нормализатора в 4-х переключаемых диапазонах d1 – d4. Для каждого диапазона на соответствующем графике показан коэффициент трансформации автотрансформатора k и точки переключения из одного диапазона в другой (U2 – U7). При выходе сетевого напряжения за пределы диапазона нормализации, нормализатор отключает нагрузку и свою силовую часть. Как видно из графика, характеристика имеет значительные гистерезисы переключений, которые достигаются взаимным перекрытием диапазонов. Это позволяет избегать частых переключений при небольших колебаниях напряжения на границе какого-либо диапазона. С этой же целью заметно отличаются нижние и верхние напряжения выключения U1, U8 и включения U1*, U8* на границах диапазона нормализации. Дополнительно могут быть приняты меры, основанные на временных задержках повторного включения и переключений диапазонов. Характеристика построена так, что на границах диапазона нормализации допускается небольшое нарушение выходным напряжением штатного поля допуска. Это сделано с целью расширения рабочего диапазона.

Передаточная характеристика нормализатора напряжения сети

     При синусоидальном напряжении симисторный ключ может быть открыт в любой момент времени, а закроется он лишь тогда, когда ток через него станет равным нулю (если строго – меньше тока удержания). При реактивном характере нагрузки фазы тока и напряжения не совпадают. Это показано на рис.3, (IС – ток при емкостном характере нагрузки, IL – при индуктивном).Сдвиг фазы тока в зависимости от характера нагрузки    Из диаграмм видно, что когда напряжение переходит через ноль, ток в общем случае может быть не равен нулю. Разность фаз тока и напряжения будет зависеть от величины реактивности. Поэтому попытка переключать ключи по переходу напряжения через ноль [4, 5, 6] может привести к короткому замыканию секций автотрансформатора. По этой причине применять ключи со встроенным детектором нуля в данном устройстве нельзя. Простейший случай для предложенной схемы наступает при отсутствии внешней нагрузки, тогда нагрузкой ключа выступает индуктивность обмотки автотрансформатора. Чтобы не произошла авария при отсутствии датчика тока, вводят временные задержки. Достаточная (для любой нагрузки) задержка включения следующего ключа будет приводить к разрывам синусоиды или даже к пропуску периода.
    Система управления при переключениях должна учитывать не только напряжение, но и ток.Датчик тока позволит точно отслеживать момент перехода тока через ноль и осуществлять безразрывное переключение диапазонов при любом характере нагрузки.Датчик напряжения позволит не только измерять величину входного напряжения, но и отслеживать переходы напряжения через ноль, что позволит правильно, без резкого броска включить устройство, когда тока нет (все ключи выключены).

Реакция нормализатора на изменения напряжения должна быть достаточно быстрой, чтобы оперативно определять характер ответных действий. Поэтому измерять напряжение желательно в каждом периоде. Причем, детектор должен отражать энергию каждого периода, а не амплитуду. В бытовой сети синусоида часто бывает искажена

Как видно из схемы на рис.1, контроль напряжения осуществляется только на входе. При правильной конструкции автотрансформатора входное и выходное напряжения жестко связаны коэффициентом трансформации, поэтому, зная входное, можно точно спрогнозировать выходное напряжение.

При выбранном шаге изменения напряжения (~ 22В), переключения диапазонов будут заметны визуально по осветительным приборам. Этот эффект частично сглаживается тем, что переключение будет происходить не часто из-за большого гистерезиса и задержек переключений внутри диапазона нормализации. Как показывает практика, – получается вполне приемлемо.

Еще одним преимуществом предложенной схемы построения нормализатора является то, что если нижний по схеме провод использовать в качестве нулевого, то не нарушается целостность нейтрали.

При выходе сетевого напряжения за границы диапазона нормализации все ключи должны быть выключены и нагрузка обесточена. Для надежности выполнения защитных функций нормализатор должен выдерживать в таком состоянии длительное воздействие линейного напряжения в 380В. Для этого совсем не обязательно использовать все ключи с высоким классом по напряжению. В закрытом состоянии последовательно соединенные ключи будут выдерживать большее напряжение. Полезно заметить, что ключи более низкого класса по напряжению имеют более низкую стоимость.

Схема подключения вольтодобавки

У этой схемы есть еще одна неочевидная возможность, которая позволит уменьшить шаг переключения или ввести плавное регулирование для построения стабилизатора с обратной связью по выходному напряжению без увеличения числа отводов автотрансформатора [7]. Эта возможность заложена в свойствах симисторного ключа. Симистор можно закрыть, не дожидаясь снижения тока до нуля, а кратковременно приложив к открытому симистору напряжение обратной полярности. Это, впрочем, также приведет к искусственной смене направления тока и переходу его через ноль.

На рис.4 приведена упрощенная схема, где показано распределение полярностей на разных ее участках при положительной полуволне. Допустим, открыт ключ VS2 и через него протекает ток по обмотке w2. При этом в обмотке w1 индуцируется напряжение с полярностью, показанной на рисунке. Если в это время открыть ключ VS1, то напряжение обмотки w1 приложится к ключу VS2 в той же полярности, какая была на нем до сих пор. В результате произойдет замыкание обмотки w1 через оба открытых ключа. Теперь допустим, что вначале открыт ключ VS1, при этом полярности напряжений, индуцируемых в обмотках, распределяются так же. Если затем открыть ключ VS2, то напряжение обмотки w1 окажется приложенным к ключу VS1 в обратной полярности. При этом ключ VS1 закроется, а VS2 останется открытым. Автотрансформатор перейдет в повышающий режим. То же самое будет происходить и при отрицательной полуволне. При коэффициенте трансформации 1,1 выходное напряжение будет иметь вид, показанный на рис.5

Форма выходного напряжения при фазовом подключении вольтодобавки

   Если при синусоидальной форме напряжения плавно изменять фазу подключения дискретной вольтодобавки, то действующее значение выходного напряжения также будет плавно изменяться. В данном примере при изменении фазы подключения вольтодобавки от 0 до 180 градусов, действующее напряжение на выходе будет изменяться на 10%. Такой способ регулирования называется фазовой вольтодобавкой.

На рис.6 приведена зависимость изменения нормированного действующего значения напряжения от фазы подключения вольтодобавки. Из рисунка видно, чтобы получить равномерный шаг изменения выходного напряжения в 2.5% при ширине диапазона 10%, нужно подключать вольтодобавку в фазах 66°, 90° и 114°.

Недостатком такого способа можно считать искажение формы выходного напряжения и нелинейность регулировочной характеристики. Однако эти недостатки не имеют существенного значения.

Зависимость нормализованного действующего напряжения от фазы включения вольтодобавки

     Феррорезонансные стабилизаторы дают гораздо большие искажения. А получившие распространение в последние годы преобразователи для бесперебойного питания вообще формируют меандр. В некоторых из них вводят нулевые паузы между импульсами, которые позволяют довести уровень гармоник до 35%. В рассматриваемой схеме, когда форма сигнала имеет вид, показанный на рис.5 (включение 10%-й вольтодобавки на 90°), амплитуда первой гармоники составляет 94% от общей амплитуды, третьей – 3.15%, 5-й и 7-й – 1.1%, 9-й и 11-й – 0.63%, остальные – меньше.

   Нелинейность регулировочной характеристики можно учесть программно, если система управления построена на микроконтроллере.

   Таким образом, предложенная структура при наличии программируемой системы управления позволяет строить нормализаторы напряжения сети на базе простого 4-х ступенчатого автотрансформатора. При этом общая себестоимость конструкции, которая в основном определяется силовой частью, будет заметно меньше традиционных многоступенчатых, за счет уменьшения количества мощных ключей и объёма автотрансформатора. Появление возможности многоступенчатого или даже плавного регулирования позволит осуществлять стабилизацию выходного напряжения.

Список  литературы.

  1. Ященко О. Стабилизатор переменного напряжения. – Радио №1, 1981, с.10-12.
  2. Каган А. Электронно-релейный стабилизатор напряжения. – Радио №8, 1991, с.34-36.
  3. Кольцов В. Стабилизатор из лабораторного автотрансформатора. В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 64. – М.: ДОСААФ, 1979, с.52-59.
  4. Коряков С. Стабилизатор сетевого напряжения с микроконтроллерным управлением. – Радио №8, 2002, с.26-29.
  5. Годин А. Стабилизатор переменного напряжения. – Радио №8, 2005, с. 33-36.
  6. Озолин М. Усовершенствованный блок управления стабилизатора переменного напряжения. – Радио №7, 2006, с. 34-35.
  7. Вересов Г.П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. – М.: Радио и связь, 1983, с.66-67.

Всего комментариев: 0

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован.

Иконка левого меню
Иконка в правом меню