Нормализатор напряжения сети 

 
 В статье описан общий подход к построению недорогого нормализатора напряжения электрической сети переменного тока на основе автотрансформатора с четырьмя отводами, коммутируемых симисторными            ключами. Рассматривается способ уменьшения шага переключения с помощью фазовой вольтодобавки.
   
      ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ

  Сетевое напряжение, особенно в слабых сетях пригородных районов, подвержено значительным колебаниям, выходящих за стандартный допуск ±10 %. К счастью, электрическая прочность многих бытовых приборов позволяет им выдерживать даже более значительные колебания напряжения. Вместе с тем далеко не вся бытовая техника имеет блоки питания, позволяющие работать при выходе сетевого напряжения за пределы стандартного допуска, поэтому нормальная работа не гарантируется. Кроме того, слишком повышенное или пониженное напряжение пагубно влияет на их долговечность.

 Наиболее компактными получаются устройства на основе автотрансформаторов со ступенчатым переключением обмоток. В
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-ти). Это приводит к неоправданному усложнению описанных устройств. Кроме того, в них нерационально используется автотрансформатор, который, как правило, имеет фиксированное включение в сеть, где входное 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.
  Ниже предлагается более рациональный подход к проектированию подобных устройств.

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

На рис. 1 приведена структурная схема нормализатора напряжения сети.           

Он состоит из автотрансформатора Т, симисторных ключей VS1—VS5, У8д, 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 передает лишь часть мощности. Ключ VS5 полностью отключает автотрансформатор при коэффициенте трансформации, равном единице. Это повышает экономичность, т. к. любой трансформатор имеет ток холостого хода и потребляет электроэнергию. Ток этого ключа будет составлять около 20 % от тока ключей VS1—VS4 без учета КПД. Дополнительный ключ VSfl 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
   Нагрузка постоянно подключена к одному из отводов. Сеть подключается через один из ключей VS1—VS4 в зависимости от входного напряжения и выбранного диапазона dl—d4 соответственно. Это позволяет уменьшить избыточность автотрансформатора, т. к. вся обмотка рассчитана на максимальное напряжение. При обратном включении [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 наматывать дополнительные обмотки.

Передаточная характеристика нормализатора показана на рис. 2.      
  На этом рисунке показаны характеристики нормализатора в четырех диапазонах переключения dl—d4. Для каждого диапазона на соответствующем графике показан коэффициент трансформации автотрансформатора к 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 Ul *, U8* на границах диапазона нормализации. Дополнительно могут быть введены временные задержки повторного включения и переключение диапазонов. Характеристика построена так, что на границах диапазона нормализации допускается небольшое нарушение выходным напряжением штатного поля допуска. Это сделано с целью расширения рабочего диапазона.

Система управления при переключениях должна учитывать не только напряжение, но и ток нагрузки.

При синусоидальном напряжении симисторный ключ может быть открыт в любой момент времени, а закроется 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, (1с — ток при емкостном характере нагрузки, II — при индуктивном).
           
                                        
  Из диаграмм видно, что когда напряжение уменьшается до нуля, ток может быть не равен нулю. Разность фаз тока и напряжения будет зависеть от величины реактивности, поэтому попытка переключать ключи по переходу напряжения через нуль [4—6] может привести к короткому замыканию секций автотрансформатора. По этой причине применять ключи со встроенным детектором нуля в данном устройстве нельзя. При отсутствии внешней нагрузки индуктивность обмотки автотрансформатора выступает нагрузкой ключа. 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.

Датчик тока позволит точно отслеживать момент перехода тока через нуль и осуществлять безразрывное переключение диапазонов при любом характере нагрузки.

Датчик напряжения не только измеряет величину входного напряжения, но и отслеживает переходы напряжения через нуль, что позволит правильно, без резкого броска включить устройство, когда нет тока нагрузки (все ключи выключены).

Реакция нормализатора на изменения сетевого 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 форма напряжения часто отличается от синусоидальной, поэтому, например, измерения амплитудного значения с последующим умножением на соответствующий коэффициент (для получения действующего значения), могут дать ошибочный результат. По той же причине могут возникать ошибки при использовании амплитудно-временного метода, описанного в [4]. Применяемое рядом авторов измерение средних значений, которое предполагает интегрирование результатов за много периодов, замедляет реакцию нормализатора и не позволяет ему реагировать на быстрые изменения напряжения в сети, например, при сварочных работах. Хорошие результаты получаются при использовании квазипикового детектора в аналоговом варианте или вычисление энергии полупериода в цифровом.
  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 напряжение, можно точно спрогнозировать выходное

При выбранном шаге изменения напряжения (~ 22 В) переключения диапазонов будут заметны визуально по освет ительным приборам Этот эффект частично сглаживается тем, что переключение будет происходить не часто из за большого гистерезиса и задержек переключений внутри диапазона нормализациг".
  Еще одно преимущество предло женной схемы построения нормализа тора — если нижний по схеме привод использовать в качес гве нулевого, не нарушается целостность неитрали.

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

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 симис торного ключа. Его можно закрыть, кратковременно приложив к открытому симистору напряжение обратной полярности, не дожидаясь снижения тока до нуля.

На рис. 4 приведена упрощенная схема, где показано распределение полярностей на разных ее участках при положительной полуволне.     

Допустим, открьр ключ VS2 и через него протекает ток по обмотке w2. При этом в обмотке wl индуцируется напряжение с полярностью, показанной на рисунке. Если в это время от крыть ключ VS1, напряжение обмотки w1 приложится к ключу VS2 в той же полярности, какая была на нем до сих пор. В результате произойдет замыкание обмотки wl чорез оба открытых ключа, Теперь допустим, что вначале открыт клю" VS1, при этом полярное ти напряжений, инд) цируемых в оо-мотках, распределяются так же. Если затем открыть ключ VS2, напряжение обмотки wl окажется приложенным к ключу VSi в обратной полярности. При этом ключ VS1 закроется, a VS2 останется открытым. Автотрансфор матор 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.               

     
   Если при синусоидальной форме напряжения плавно изменять фазу подключения дискретной вольтодо-бавки, действующее значение выходного напряжения также будет плавно изменяться В данном примере при изменении фазы подключения воль-годобавки в диапазоне 0...1300, 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.    

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 выход ного напряжения и нелинейность регулировочной характеристики, однако это не имеет сущест венного значения. Феррорезонансьые ста билизаторы дают гораздо большие искажения. А получившие распро странение в последние годы пре ооразователи для бесперебойных источников питания часто вообще формир) ют 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 вольтодобавки 10 % 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 — еще меньше (данные получены путем моделирования формы сигнала в среде MicroCAP).

Нелинейность регулировочной ха рактеристики 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 четырехступенчатого автотрак сформатора. При этом общая себестоимость конструкции, которая в основном определяется силовой частью, будет замет но меньше гра диционных многоступенчатых, за счет уменьшения количества мощных ключей и объема автотранс форматора. Появление возможности многоступенчатого или даже плавного регулирования позволит осуществлять стабилизацию выходного напряжения.

    Андрей Кривецкий
Украина Харьковская обл.

  К  списку статей