А.П.Кривецький
У статті описано загальний підхід до побудови недорогого нормалізатора напруги
електричної мережі змінного струму на основі автотрансформатора з 4-ма відводами,
комутованих симисторними ключами. Розглядається спосіб зменшення кроку перемикання за допомогою фазової вольтодобавки,
без зміни структури пристрою.
Мережева напруга, особливо в слабких мережах приміських районів, схильна до значних коливань, що далеко виходять за стандартний допуск ±10%. На щастя, електрична міцність багатьох побутових приладів дозволяє їм витримувати навіть виходи напруги за межі 20-ти відсоткового допуску. Не всі прилади мають блоки живлення, що допускають широкі межі зміни напруги живлення, тому нормальна їх робота не гарантується. Крім того, занадто підвищена або знижена напруга згубно впливає на їхню довговічність.
Ця проблема не нова і існує у різних країнах. Не даремно, наприклад, у Німеччині для провінційних районів випускаються електронні та електромеханічні пристрої, що підтримують напругу в мережі житлового будинку у допустимих межах.
Найбільш компактними виходять пристрої на основі автотрансформаторів зі східчастим перемиканням обмоток. У періодичних виданнях [1-4] описувалося багато варіантів таких пристроїв для самостійного виготовлення. У всіх цих пристроях явно проглядається спроба збільшення числа ступенів зменшення кроку перемикання (автору доводилося бачити до 12). Це призводить до невиправданого ускладнення описаних пристроїв. Крім того, в них нераціонально використовується автотрансформатор, який, як правило, має фіксоване включення в мережу, де напруга змінюється в широких межах, і підключення навантаження, що перемикається, де напруга змінюється у вузьких межах [4]. Але, найголовніше, у багатьох подібних електронних пристроях [4…6] неправильно здійснюється комутація симисторних ключів, що викликає справедливі нарікання користувачів, інколи ж і непрацездатність стабілізаторів у реальних умовах.
У статті, на думку автора, пропонується раціональніший підхід до проектування подібних пристроїв.
У разі, доцільніше ставити завдання стабілізації, а нормалізації мережного напруги, тобто. підтримка його в межах стандартного 10% допуску. Це дозволить спростити та здешевити пристрій.
На рис. 1 наведено структурну схему нормалізатора напруги мережі. Він складається з автотрансформатора Т, симісторних ключів VS1 - VS5, VSд, датчика струму, датчика напруги та системи управління.
Автотрансформатор підключається до мережі за допомогою ключів. Потужність автотрансформатора за максимального коефіцієнта трансформації 1,2 становитиме 20% від максимальної потужності навантаження без урахування ККД, т.к. Автотрансформатор на відміну трансформатора трансформує лише частина потужності. Ключ VS5 повністю відключає автотрансформатор при коефіцієнті трансформації, що дорівнює 1. Це підвищує економічність, тому що будь-який трансформатор має, хоч і невеликий, струм холостого ходу, при якому в перерахунку на рік додатково споживаються сотні кіловат електроенергії. Струм цього ключа так само становитиме близько 20% від струму ключів VS1 - VS4, знову ж таки без урахування ККД. Додатковий ключ VSд (показаний кольором) дозволяє повністю відключати нормалізатор та навантаження в аварійних ситуаціях, залишаючи стеження станом мережі для автоматичного включення. Застосування додаткового ключа дозволяє знизити вимоги щодо допустимої напруги до інших ключів, т.к. вони виявляються послідовно з'єднаними з VSд.
Пропонована передавальна характеристика нормалізатора показана на рис.2.Навантаження підключається постійно до одного з відводів, мережа підключається через один із ключів (VS1 – VS4) залежно від вхідної напруги та обраного діапазону (d1 – d4 відповідно). Це дозволяє зменшити надмірність автотрансформатора, т.к. вся обмотка розрахована на максимальну напругу. При зворотному увімкненні, наприклад [4,5], коли мережа постійно підключена до одного з відводів, а навантаження перемикається, обмотка до мережевого відведення повинна бути розрахована на максимальну напругу. А щоб автотрансформатор міг бути ще й підвищуючим, довелося б додавати ще обмотки за цією.
На цьому малюнку показані характеристики нормалізатора в 4-х діапазонах, що перемикаються, d1 – d4. Для кожного діапазону на відповідному графіку показаний коефіцієнт трансформації автотрансформатора k та точки перемикання з одного діапазону до іншого (U2 – U7). При виході напруги мережі за межі діапазону нормалізації, нормалізатор відключає навантаження і свою силову частину. Як видно з графіка, характеристика має значні гістерези перемикань, які досягаються взаємним перекриттям діапазонів. Це дозволяє уникати частих перемикань при невеликих коливаннях напруги на межі якогось діапазону. З цією ж метою помітно відрізняються нижні та верхні напруги вимкнення U1, U8 та включення U1*, U8* на межах діапазону нормалізації. Додатково можуть бути вжиті заходи, що базуються на тимчасових затримках повторного включення та перемикання діапазонів. Характеристика побудована так, що на межах діапазону нормалізації допускається невелике порушення вихідною напругою штатного поля допуску. Це зроблено для розширення робочого діапазону.
При синусоїдальній напрузі симісторний ключ може бути відкритий у будь-який момент часу, а закриється він лише тоді, коли струм через нього стане рівним нулю (якщо суворо менше струму утримання). При реактивному характері навантаження фази струму та напруги не збігаються. Це показано на рис.3, (IЗ - Струм при ємнісному характері навантаження, IL - При індуктивному).
З діаграм видно, що коли напруга переходить через нуль, струм у випадку може бути не дорівнює нулю. Різниця фаз струму та напруги залежатиме від величини реактивності. Тому спроба перемикати ключі переходу напруги через нуль [4, 5, 6] може призвести до короткого замикання секцій автотрансформатора. З цієї причини не можна використовувати ключі з вбудованим детектором нуля. Найпростіший випадок для запропонованої схеми настає за відсутності зовнішнього навантаження, тоді навантаженням ключа є індуктивність обмотки автотрансформатора. Щоб не сталася аварія за відсутності датчика струму, вводять тимчасові затримки. Достатня (для будь-якого навантаження) затримка включення наступного ключа призводитиме до розривів синусоїди або навіть до пропуску періоду.
Система управління при перемиканнях повинна враховувати не тільки напругу, але і струм. Датчик струму дозволить точно відстежувати момент переходу струму через нуль і здійснювати безрозривне перемикання діапазонів при будь-якому характері навантаження. нуль, що дозволить правильно, без різкого кидка увімкнути пристрій, коли струму немає (всі ключі вимкнені).
Реакція нормалізатора на зміни напруги має бути досить швидкою, щоб оперативно визначати характер дій у відповідь. Тому вимірювати напругу бажано у кожному періоді. Причому, детектор має відбивати енергію кожного періоду, а чи не амплітуду. У побутовій мережі синусоїда часто буває спотворена
Як видно із схеми на рис.1, контроль напруги здійснюється лише на вході. При правильній конструкції автотрансформатора вхідна та вихідна напруга жорстко пов'язані коефіцієнтом трансформації, тому, знаючи вхідну, можна точно спрогнозувати вихідну напругу.
При вибраному кроці зміни напруги (~ 22В) перемикання діапазонів будуть помітні візуально по освітлювальних приладах. Цей ефект частково згладжується тим, що перемикання відбуватиметься не часто через велику гістерезу і затримок перемикань всередині діапазону нормалізації. Як показує практика, виходить цілком прийнятно.
Ще однією перевагою запропонованої схеми побудови нормалізатора є те, що якщо нижній за схемою провід використовувати як нульовий, то не порушується цілісність нейтралі.
При виході напруги за межі діапазону нормалізації всі ключі повинні бути вимкнені і навантаження знеструмлено. Для надійності виконання захисних функцій нормалізатор повинен витримувати в такому стані тривалий вплив лінійної напруги 380В. Для цього не обов'язково використовувати всі ключі з високим класом за напругою. У закритому стані послідовно з'єднані ключі витримуватимуть більшу напругу. Корисно помітити, що ключі нижчого класу за напругою мають нижчу вартість.
Ця схема має ще одну неочевидну можливість, яка дозволить зменшити крок перемикання або ввести плавне регулювання для побудови стабілізатора зі зворотним зв'язком по вихідній напругі без збільшення кількості відводів автотрансформатора [7]. Ця можливість закладена у властивостях симисторного ключа. Сімістор можна закрити, не чекаючи зниження струму до нуля, а короткочасно приклавши до відкритого симістору напругу зворотної полярності. Це, втім, також призведе до штучної зміни напряму струму та переходу його через нуль.
На рис.4 наведено спрощену схему, де показано розподіл полярностей на різних її ділянках при позитивній напівхвилі. Допустимо, відкритий ключ VS2 і через нього протікає струм по обмотці w2. При цьому в обмотці w1 індукується напруга з полярністю, що показана на малюнку. Якщо в цей час відкрити ключ VS1, то напруга обмотки w1 додасться до ключа VS2 у тій же полярності, що була на ньому досі. В результаті відбудеться замикання обмотки w1 через обидва відкриті ключі. Тепер припустимо, що спочатку відкритий ключ VS1, при цьому полярності напруги, що індукуються в обмотках, розподіляються так само. Якщо потім відкрити ключ VS2, напруга обмотки w1 виявиться прикладеним до ключа VS1 у зворотній полярності. Ключ VS1 закриється, а VS2 залишиться відкритим. Автотрансформатор перейде в режим, що підвищує. Те саме відбуватиметься і при негативній напівхвилі. При коефіцієнті трансформації 1,1 вихідна напруга матиме вигляд, показаний на рис.
Якщо при синусоїдальній формі напруги плавно змінювати фазу підключення дискретної вольтодобавки, то значення вихідної напруги, що діє, також буде плавно змінюватися. В даному прикладі при зміні фази підключення вольтодобавки від 0 до 180 градусів, напруга, що діє, на виході буде змінюватися на 10%. Такий спосіб регулювання називається фазовою вольтодобавкою.
На рис.6 наведено залежність зміни нормованого чинного значення напруги від фази підключення вольтодобавки. З малюнка видно, щоб отримати рівномірний крок зміни вихідної напруги 2.5% при ширині діапазону 10%, потрібно підключати вольтодобавку у фазах 66°, 90° і 114°.
Недоліком такого способу можна вважати спотворення форми вихідної напруги та нелінійність регулювальної характеристики. Однак ці недоліки не мають суттєвого значення.
Ферорезонансні стабілізатори дають набагато більші спотворення. А перетворювачі, що набули поширення в останні роки, для безперебійного харчування взагалі формують меандр. У деяких із них вводять нульові паузи між імпульсами, які дозволяють довести рівень гармонік до 35%. У схемі, коли форма сигналу має вигляд, показаний на рис.5 (включення 10%-й вольтодобавки на 90°), амплітуда першої гармоніки становить 94% від загальної амплітуди, третьої - 3.15%, 5-й і 7-й - 1.1. , 9-й та 11-й – 0.63%, решта – менше.
Нелінійність регулювальної властивості можна взяти до уваги програмно, якщо система управління побудована на микроконтроллере.
Таким чином, запропонована структура за наявності програмованої системи управління дозволяє будувати нормалізатори напруги мережі на базі простого 4-ступінчастого автотрансформатора. При цьому загальна собівартість конструкції, яка в основному визначається силовою частиною, буде помітно меншою за традиційні багатоступінчасті, за рахунок зменшення кількості потужних ключів та обсягу автотрансформатора. Поява можливості багатоступінчастого чи навіть плавного регулювання дозволить здійснювати стабілізацію вихідної напруги.
Список літератури.
- Ященко О. Стабілізатор змінної напруги. - Радіо №1, 1981, с.10-12.
- Каган А. Електронно-релейний стабілізатор напруги. - Радіо №8, 1991, с.34-36.
- Кольцов В. Стабілізатор із лабораторного автотрансформатора. На допомогу радіоаматору: Збірник. Вип. 64. - М.: ДТСААФ, 1979, с.52-59.
- Коряков С. Стабілізатор напруги з мікроконтролерним управлінням. - Радіо №8, 2002, с.26-29.
- Годін А. Стабілізатор змінної напруги. - Радіо №8, 2005, с. 33-36.
- Озолін М. Удосконалений блок керування стабілізатора змінної напруги. - Радіо №7, 2006, с. 34-35.
- Вересов Г.П. Електроживлення побутової радіоелектронної апаратури. - М: Радіо і зв'язок, 1983, с.66-67.
Зазвичай необхідно передбачити можливість регулювання напруги на навантаженні змін напруги мережі. Якщо прийняти достатнім регулювання напруги через 10 В, то необхідно підвищує обмотки зробити відводи через кожні W0 * 100 = 5,6 * 10 = 56 витків. Оскільки підвищуюча частина обмотки складатиметься з Wпов=W2—W1 = 672 — 448=224 витка, то число відводів до неї має дорівнювати 224:56 = 4 відводи. Площа перетину сердечника дорівнює 15 см2, що відповідає типовій потужності трансформатора, як це неважко переконатися з формули приблизно в 160 Вт або автотрансформатору з потужністю близько 500 Вт. Тому, якщо скористатися пластинами сердечника цього трансформатора для нашого випадку, потрібно взяти лише близько половини його набору. Тоді площа взятого набору дорівнюватиме близько 8 см2, що і відповідатиме потужності трансформатора 44 Вт. У разі відсутності готового сердечника його можна виготовити самотужки. Тільки в цьому випадку при розрахунку даних автотрансформатора величину магнітної індукції потрібно брати в залежності від сорту пластин, що є в розпорядженні.
Рис.3.
Намотування слід проводити правильними рядами. Між шарами обов'язково прокладається шар ізоляції (з паперу чи кембрика). Необхідно стежити, щоб окремі витки шару не провалювалися по краях шарів (біля щічок каркаса). Потрібно звернути особливу увагу на виготовлення висновків від обмотки автотрансформатора. Дуже важливо, щоб було виключено можливість випадкового замикання окремих відводів між собою, навіщо відводи слід робити з обох боків каркаса. Відведення від потрібного числа витків робиться відпаюванням, а місце відпаювання відводу необхідно ретельно ізолювати. Як дроти для відведення потрібно брати м'який провід достатнього перерізу. Відведення, з метою економії місця для обмотки, необхідно розміщувати біля зовнішніх кінців рядів намотування. Відводи можна робити і у вигляді петель.
Рис.2 Габаритні та настановні розміри
