Меню

Импульсные регуляторы напряжения постоянного тока

12. Импульсное регулирование постоянного напряжения

Импульсное регулирова­ние постоянного напряжения осуществляется при помощи импульсных преобразователей (прерывателей постоянного тока), включенных последо­ва­тельно в цепь нагрузки (рис. 12.1). В зависимости от мощности нагрузки применяют транзисторные или тиристорные прерыватели (ТП).

Импульсный преобразователь или прерыватель постоянного тока предназначен для включения и отключения нагрузки, а также для непосредствен­ного преобразования нерегулируемого напряжения источника постоянного тока в регулируемое. В качестве источника может быть применен аккумулятор, выпрямитель, генератор постоянного тока.

Среднее значение напряжения на нагрузке можно определить из соотношения:

где tи – длительность проводящего состояния преобразователя; tп – длительность непроводящего состояния преобразователя; Тк – период коммутации; fк = 1/ Тк – частота коммутации; δ – коэффициент передачи выпрямителя. Величина, обратная δ, называется скважностью.

Из формулы (12.1) видно, что среднее значение напряжения на нагрузке (U2ср) можно регу­ли­ровать двумя способами:

1) путем изменения интервала проводимости (tи) ключа при постоянстве частоты комму­тации (fк) прерывателя; такое регулирование называется широтно-импульсным (ШИМ) и изображено на рис. 12.2, а;

2) путем изменения частоты коммутации (fк) при постоянстве интервала проводимости (tu); такое регулирование называется частотно-импульсным (ЧИМ), изображено на рис. 12.2, б.

Преимущественное использование на практике ШИМ объясняется наличием следую­щих недостатков у ЧИМ:

· возможностью появления прерывистого тока при низких часто­тах;

· появлением радиопомех на высоких частотах.

Широтно-импульсное регулирование находит все более широкое приме­нение для регулирования и стабилизации электрических параметров на­грузок различного рода (на электротранспорте, в приводе металлообрабатывающих станков, для питания бортовых систем и т.д.) Это объясняется рядом их преимуществ: высоким КПД; высоким быстродействием; точностью регулирования выходного напряжения в широком диапа­зоне; высокой точностью управления при сохранении устойчивости; слабой чувствитель­ностью к изменениям температуры окружающей среды.

Однако им свойственны и некоторые недостатки: наличие пульсаций выходного на­пряже­ния создает необходимость устанавливать фильтры, что вызывает инерционность преоб­разователя и сложность управления для обеспечения устойчивости работы на им­пульсную нагрузку.

Схема импульсного коммутатора постоянного тока (рис. 12.3) содержит силовой тиристор VSc и узел принудитель­ного выключения силового тиристора, содержащий коммутирующий тиристор VSк, ком­му­тирующие индуктивность Lк и емкость Ск, коммутирующий ди

Подготовка схемы к работе начинается с заряда коммутирующей емкости Cк с по­ляр­ностью, указанной на рис. 12.3. Заряд коммутирующей емкости Cк можно осуществить с помощью кнопки Кз через сопротивление Rз по цепи «+» — Cк — Кз — Rз — «-», или при по­мощи специальной системы управления коммутатором, которая первый импульс по­дает на коммутирующий тиристор VSк, и после его открытия происходит заряд Cк.

Работа схемы начинается после включения силового тиристора VSс. При этом обра­зуется две цепи: одна для протекания тока нагрузки, другая – для перезаряда ком­му­тирующей емкости Cк. Время перезаряда емкости Cк определяется параметрами ко­леба­тельного контура, образованного коммутирующими элементами Lк и Ск.

После перезаряд Cк происходит вынужденное выключение силового тиристора VSc с помощью приложенного к нему обратного напряжения через коммутирующий тиристор VSк . В процессе выключения VSc емкость Cк разряжается. После запирания силового ти­ристора в работе остается коммутирующий тиристор VSк и, осуществляя заряд емкости Cк, подготавливает схему к дальнейшей работе.

Импульсный коммутатор переменного тока (рис. 12.4) обладает двухсторонней про­водимостью тока. В одну из диагоналей диодного моста включается ТП с ШИМ, а через другую диагональ подключается нагрузка к сети переменного напряжения. Процессы, происходящие в данной схеме, поясняются диаграммой (рис. 12.5).

В положительную полуволну напряжения сети работают диоды VD1, VD4 им­пульсный коммутатор. Отрицательную полуволну выходного напряжения формируют со­вместно с диодами VD2, VD3 тот же импульсный коммутатор. Процесс регулирования первой гармонической составляющей выходного напряжения осуществляется изменением длтельности работы силового тиристора VSc.

На практике питание нагрузок постоянного тока чаще осуществляется выпрямленным на­пряжением, поэтому представляет интерес работа ТП с ШИМ в цепи нагрузки выпрямителя (рис. 12.7).

Особенностей в работе импульсного коммутатора в цепи выпрямленного тока и в цепи постоянного тока нет, отличие заключается лишь в форме выходного напряжения (рис. 12.7). Выходное напряжение состоит из регулируемых импульсов, полученных из двухполупериодного выпрямленного напряжения. Регули­рова­ние импульсов среднего выпрямленного напряжения осуществляется широтно-ипульсным способом.

Поскольку в обеих схемах (рис. 12.4 и 12.6) тиристорный коммутатор вклю­чен в диагональ выпрямленного тока, то процессы, происходящие собственно в ТП с ШИМ, анало­гичны.

Источник

5 самых популярных схем регуляторов напряжения (РН) 0-220 вольт своими руками

8 основных схем регуляторов своими руками. Топ-6 марок регуляторов из Китая. 2 схемы. 4 Самых задаваемых вопроса про регуляторы напряжения.+ ТЕСТ для самоконтроля

Регулятор напряжения – это специализированный электротехнический прибор, предназначенный для плавного изменения или настройки напряжения, питающего электрическое устройство.

Фото 3

Регулятор напряжения

Фото 2

Важно помнить! Приборы этого типа предназначены для изменения и настройки питающего напряжения, а не тока. Ток регулируется полезной нагрузкой!

4 вопроса по теме регуляторов напряжения

  1. Для чего нужен регулятор:

а) Изменение напряжения на выходе из прибора.

б) Разрывание цепи электрического тока

  1. От чего зависит мощность регулятора:

а) От входного источника тока и от исполнительного органа

б) От размеров потребителя

  1. Основные детали прибора, собираемые своими руками:

а) Стабилитрон и диод

б) Симистор и тиристор

  1. Для чего нужны регуляторы 0-5 вольт:

а) Питать стабилизированным напряжением микросхемы

б) Ограничивать токопотребление электрических ламп

Ответы.

2 Самые распространенные схемы РН 0-220 вольт своими руками

Схема №1.

Самый простой и удобный в эксплуатации регулятор напряжения — это регулятор на тиристорах, включенных встречно. Это создаст выходной сигнал синусоидального вида требуемой величины.

СНиП 3.05.06-85

СНиП 3.05.06-85

Входное напряжение величиной до 220в, через предохранитель поступает на нагрузку, а по второму проводнику, через кнопку включения синусоидальная полуволна попадает на катод и анод тиристоров VS1 и VS2. А через переменный резистор R2 производится регулировка выходного сигнала. Два диода VD1 и VD2, оставляют после себя только положительную полуволну, поступающую на управляющий электрод одного из тиристоров, что приводит к его открытию.

Важно! Чем выше токовый сигнал на ключе тиристора, тем сильнее он откроется, то есть тем больший ток сможет пропустить через себя.

Для контроля входного питания предусмотрена индикаторная лампочка, а для настройки выходного – вольтметр.

Схема №2.

Отличительная особенность этой схемы — замена двух тиристоров одним симистором. Это упрощает схему, делает ее компактней и проще в изготовлении.

СНиП 3.05.06-85

СНиП 3.05.06-85

В схеме, также присутствует предохранитель и кнопка включения, и регулировочный резистор R3, а управляет он базой симистора, это один из немногих полупроводниковых приборов с возможностью работать с переменным током. Ток, проходя через резистор R3, приобретает определенное значение, оно и будет управлять степенью открытия симистора. После этого оно выпрямляется на диодном мосту VD1 и через ограничивающий резистор попадает на ключевой электрод симистора VS2. Остальные элементы схемы, такие как конденсаторы С1,С2,С3 и С4 служат для гашения пульсаций входного сигнала и его фильтрации от посторонних шумов и частот нерегламентированной частоты.

Как избежать 3 частых ошибок при работе с симистором.

  1. Буква, после кодового обозначения симистора говорит о его предельном рабочем напряжении: А – 100В, Б – 200В, В – 300В, Г – 400В. Поэтому не стоит брать прибор с буквой А и Б для регулировки 0-220 вольт — такой симистор выйдет из строя.
  2. Симистор как и любой другой полупроводниковый прибор сильно нагревается при работе, следует рассмотреть вариант установки радиатора или активной системы охлаждения.
  3. При использовании симистора в цепях нагрузок с большим потреблением тока, необходимо четко подбирать прибор под заявленную цель. Например, люстра, в которой установлено 5 лампочек по 100 ватт каждая будет потреблять суммарно ток величиной 2 ампера. Выбирая по каталогу необходимо смотреть на максимальный рабочий ток прибора. Так симистор МАС97А6 рассчитан всего на 0,4 ампера и не выдержит такой нагрузки, а МАС228А8 способен пропустить до 8 А и подойдет для этой нагрузки.

3 Основных момента при изготовлении мощного РН и тока своими руками

Прибор управляет нагрузкой до 3000 ватт. Построен он на использовании мощного симистора, а затвором или ключом его управляет динистор.

Динистор – это тоже, что и симистор, только без управляющего вывода. Если симистор открывается и начинает пропускать через себя ток, когда на его базе возникает управляющее напряжение и остается открытым пока оно не пропадет, то динистор откроется, если между его анодом и катодом появится разность потенциалов выше барьера открытия. Он будет оставаться незапертым, пока между электродами не упадет ток ниже уровня запирания.

СНиП 3.05.06-85

СНиП 3.05.06-85

Как только на управляющий электрод попадет положительный потенциал, он откроется и пропустит переменный ток, и чем сильнее будет этот сигнал, тем выше будет напряжение между его выводами, а значит и на нагрузке. Что бы регулировать степень открытия используется цепь развязки, состоящая из динистора VS1 и резисторов R3 и R4. Эта цепь устанавливает предельный ток на ключе симистора, а конденсаторы сглаживают пульсации на входном сигнале.

2 основных принципа при изготовлении РН 0-5 вольт

  1. Для преобразования входного высокого потенциала в низкий постоянный используют специальные микросхемы серии LM.
  2. Питание микросхем производится только постоянным током.

Рассмотрим эти принципы подробнее и разберем типовую схему регулятора.

Микросхемы серии LM предназначены для понижения высокого постоянного напряжения до низких значений. Для этого в корпусе прибора имеется 3 вывода:

  • Первый вывод – входной сигнал.
  • Второй вывод – выходной сигнал.
  • Третий вывод – управляющий электрод.

Принцип работы прибора очень прост – входное высокое напряжение положительной величины, поступает на входной выход и затем преобразуется внутри микросхемы. Степень трансформации будет зависеть от силы и величины сигнала на управляющей «ножке». В соответствии с задающим импульсом на выходе будет создаваться положительное напряжение от 0 вольт до предельного для данной серии.

СНиП 3.05.06-85

СНиП 3.05.06-85

Входное напряжение, величиной не выше 28 вольт и обязательно выпрямленное подается на схему. Взять его можно с вторичной обмотки силового трансформатора или с регулятора, работающего с высоким напряжением. После этого положительный потенциал поступает на вывод микросхемы 3. Конденсатор С1 сглаживает пульсацию входного сигнала. Переменный резистор R1 величиной 5000 ом задает выходной сигнал. Чем выше ток, который он пропускает через себя, тем выше больше открывается микросхема. Выходное напряжение 0-5 вольт снимается с выхода 2 и через сглаживающий конденсатор С2 попадает на нагрузку. Чем выше емкость конденсатор, тем ровнее оно на выходе.

Регулятор напряжения 0 — 220в

Топ 4 стабилизирующие микросхемы 0-5 вольт:

  1. КР1157 – отечественная микросхема, с пределом по входному сигналу до 25 вольт и током нагрузки не выше 0.1 ампер.
  2. 142ЕН5А – микросхема с максимальным выходным током 3 ампера, на вход подается не выше 15 вольт.
  3. TS7805CZ – прибор с допустимыми токами до 1.5 ампер и повышенным входным напряжением до 40 вольт.
  4. L4960 – импульсная микросхема с максимальным током нагрузки до 2.5 А. Входной вольтаж не должен превышать 40 вольт.

РН на 2 транзисторах

Данный вид применяется в схемах особо мощных регуляторов. В этом случае ток на нагрузку также передается через симистор, но управление ключевым выводом происходит через каскад транзисторов. Это реализуется так: переменным резистором регулируется ток, который поступает на базу первого маломощного транзистора, а тот через коллектор-эмиторный переход управляет базой второго мощного транзистора и уже он открывает и закрывает симистор. Это реализует принцип очень плавного управления огромными токами на нагрузке.

СНиП 3.05.06-85

СНиП 3.05.06-85

Ответы на 4 самых частых вопроса по регуляторам:

  1. Какое допустимое отклонение выходного напряжения? Для заводских приборов крупных фирм, отклонение не будет превышать +-5%
  2. От чего зависит мощность регулятора? Выходная мощность напрямую зависит от источника питания и от симистора, который коммутирует цепь.
  3. Для чего нужны регуляторы 0-5 вольт? Эти приборы чаще всего используют для питания микросхем и различных монтажных плат.
  4. Зачем нужен бытовой регулятор 0-220 вольт? Они применяются для плавного включения и выключения бытовых электроприборов.

4 Схемы РН своими руками и схема подключения

Коротко рассмотрим каждую из схем, особенности, преимущества.

Схема 1.

Очень простая схема для подключения и плавной регулировки паяльника. Используется, чтобы предотвратить разгорание и перегрев жала паяльника. В схеме используется мощный симистор, которым управляет цепочка тиристор-переменный резистор.

Схема 2.

Схема основанная на использовании микросхемы фазового регулирования типа 1182ПМ1. Она управляет степенью открытия симистора, который управляет нагрузкой. Применяются для плавного регулирования степени светимости лампочек накаливания.

Схема 3.

Простейшая схема регулирования накалом жала паяльника. Выполнена по очень компактной схеме с использованием легкодоступных компонентов. Управляет нагрузкой один тиристор, степень включения которого регулирует переменный резистор. Также присутствует диод, для защиты от обратного напряжения.

СНиП 3.05.06-85

СНиП 3.05.06-85

Схема 4.

Схема, предназначенная для управления уровнем освещения в комнате. Может регулировать степень накала лампочки. Выполнена на основе одного тиристора, который управляется диммером. Поворотом ручки резистора, изменяется воздействие на ключевой вывод тиристора, что изменяет его пропускную способность по электрическому току.

СНиП 3.05.06-85

СНиП 3.05.06-85

Китайский РН на 220 вольт

В наше время товары из Китая стали довольно популярной темой, от общей тенденции не отстают и китайские регуляторы напряжения. Рассмотрим самые популярные китайские модели и сравним их основные характеристики.

Название Мощность Напряжение стабилизации Цена Вес Стоимость одного ватта
Module ME 4000 Вт 0-220 В 6.68$ 167 г 0.167$
SCR Регулятор 10 000 Вт 0-220 В 12.42$ 254 г 0.124$
SCR Регулятор II 5 000 Вт 0-220 В 9.76$ 187 г 0.195$
WayGat 4 4 000 Вт 0-220 В 4.68$ 122 г 0.097$
Cnikesin 6 000 Вт 0-220 В 11.07$ 155 г 0.185$
Great Wall 2 000 Вт 0-220 В 1.59$ 87 г 0.080$

Существует возможность выбрать любой регулятор именно под свои требования и необходимости. В среднем один ватт полезной мощности стоит менее 20 центов, и это очень выгодная цена. Но все же, стоит обращать внимание на качество деталей и сборки, для товаров из Китая она по-прежнему остается очень низким.

Источник



Импульсные регуляторы постоянного напряжения

Полупроводниковые регуляторы постоянного напряжения применяются в случаях, когда напряжение на нагрузке, питаемой от источника постоянного тока с фиксированным уровнем напряжения (аккумулятор, неуправляемый выпрямитель), необходимо стабилизировать на заданном уровне или плавно регулировать в широких пределах.

Рассматриваемые далее преобразователи основаны на использовании импульсных методов преобразования и регулирования постоянного напряжения. Поэтому их называют импульсными преобразователями (ИП).

В своем составе такой преобразователь содержит силовой ключевой элемент (тиристор, транзистор), с помощью которого нагрузка с регулируемой длительностью подключается и отключается от источника постоянного напряжения.

Выходное напряжение таких преобразователей характеризуется последовательностью импульсов прямоугольной формы с длительностью tи и паузой tп, амплитуда которых близка к напряжению источника питания Е.

Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществить двумя способами: изменением интервала проводимости ключа при постоянной частоте переключения ключа (широтно-импульсный) или изменением частоты переключения при постоянном интервале проводимости ключа (частотно-импульсный). При этом регулируется относительное время проводимости ключа, что приводит к плавному изменению среднего напряжения на нагрузке.

T tИ tП

Рисунок 5.4- Выходное напряжение на нагрузке при использовании метода ШИР

Широтно–импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов tи (рисунок 5.4) при неизменном периоде их следования (Т = соnst, f = 1/T = const). Среднее значение выходного напряжения преобразователя при широтно-импульсном регулировании связано с напряжением питания соотношением

(5.2)

где g = tи/Т – коэффициент регулирования.

В соответствии с (5.1) диапазон регулирования выходного напряжения ИП с ШИР составляет от нуля (tи = 0, g = 0) до Е (tи = Т, g = 1).

5.3 Автономные инверторы

Автономные инверторы – это устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с постоянной или регулируемой частотой и работающие на автономную нагрузку, не содержащую источников активной энергии той же частоты, что и выходная частота инвертора. При этом частота, напряжение и его форма на выходе определяются режимом работы автономного инвертора.

По характеру протекающих в схеме электромагнитных процессов автономные инверторы подразделяются на инверторы тока, инверторы напряжения и резонансные инверторы.

Так же как и выпрямители, инверторы различаются по мощности, напряжению, числу фаз вторичной обмотки трансформатора, способу регулирования выходного напряжения, по схеме инвертирования и другим факторам.

Работа автономного инвертора и его технико-экономические показатели в основном определяются схемой инвертирования, под которой, как правило, понимают схему соединения вентильных элементов и элементов для их коммутации, а также трансформатора и в отдельных случаях входного или выходного фильтра (если последний оказывает непосредственное влияние на процесс инвертирования). От схемы инвертирования зависят форма кривой выходного напряжения, форма кривой потребляемого тока, внешняя (или нагрузочная) характеристика, к. п. д. инвертора, допустимое изменение коэффициента мощности нагрузки (указываемого обычно по основной гармонике напряжения на нагрузке), максимальное (мгновенное) значение тока нагрузки, определяющее для большинства схем порог устойчивой работы инвертора.

Автономный инвертор тока (АИТ) – это инвертор, форма тока на выходе которого определяется только порядком переключения тиристоров (транзисторов) инвертора, а форма напряжения зависит от характера нагрузки. Питание АИТ должно производиться от источника тока. Если АИТ питается от управляемого выпрямителя, то перевод выпрямителя в режим регулируемого источника тока обычно достигается либо путем включения сглаживающего реактора очень большой индуктивности, либо посредством охвата выпрямителя сильной отрицательной обратной связью по току и использования сглаживающего реактора, индуктивность которого достаточна для сглаживания пульсаций выпрямленного тока.

На рисунке 5.5 представлены схема и диаграммы напряжения и тока на нагрузке для однофазного мостового АИТ на запираемых тиристорах, которые формируются путем последовательного переключения пар тиристоров VS1,VS2 и VS3,VS4.

Рисунок 5.5- Схема однофазного инвертора тока и диаграммы напряжения и тока

5.4 Регуляторы переменного напряжения

Построение регулируемых преобразователей переменного напряжения основывается на использовании полупроводникового коммутатора, функцию которого чаще всего выполняют два включенных встречно-параллельно тиристора в цепи с питающим переменным напряжением и нагрузкой. В таких устройствах применяют фазовые, широтно-импульсный на пониженной частоте и другие методы регулирования переменного напряжения.

uн iн uн

Рисунок 5.6 — Схема однофазного регулятора переменного напряжения и диаграммы напряжения и тока на активной нагрузке

Фазовые методы регулирования базируются на управлении действующим значением переменного напряжения на нагрузке путем изменения длительности открытого состояния одного из включенных встречно-параллельно тиристоров (рисунок 5.6) в течение полупериода частоты сети. Диаграммы напряжений и токов, показанные на рисунке 5.6 для однофазных преобразователей переменного напряжения, соответствуют чисто активной нагрузке. Фазовое регулирование преобразователей переменного напряжения аналогично принципу фазового регулирования управляемых выпрямителей. При способе регулирования, соответствующем рисунку 5.6, запирание тиристоров осуществляется после достижения точек π, 2π и т д. за счет изменения полярности переменного напряжения питания по окончании каждого полупериода (естественная коммутация).

5.4 Регулирование скорости электродвигателя постоянного тока полупроводниковыми преобразователями

Способ регулирования угловойскорости напряжением в цепи якоря в серийных электроприводах постоянного тока осуществляется обычно с помощью однофазных и трехфазных тиристорных выпрямителей (рисунок 5.7) и широтно-импульсных регуляторов ( рисунок 5.8).

Уравнения электромеханической и механической характеристики электродвигателя постоянного тока, питаемого от управляемого выпрямителя в системе регулирования без обратных связей:

ω = (Ud cosα-IRЭ)/ ; ω =Ud cosα/ MRЭ/() 2 , (5.3)

где Ud – среднее значение выпрямленного напряжения для данного типа выпрямителя ( для трехфазной мостовой схемы Ud = 2,34 U);

RЭ – эквивалентное сопротивление цепи якоря;

α — угол управления тиристорами выпрямителя, формируемый схемой управления СУ.

Для широтно-импульсного преобразователя уравнения этих характеристик имеют следующий вид:

ω = (εU–IRЯ) / , ω = εU / MRЯ /() 2 , (5.4)

где ε = tи / T – коэффициент регулирования (tи— длительность импульса, T- период).

+

Рисунок 5.7 – Электропривод на основе трехфазного мостового выпрямителя

VSVD

Рисунок 5.8– Электропривод с импульсным регулятором

Типичный вид механических характеристик для этих схем представлен на рисунке 5.9.

Рисунок 5.9 – а) механические характеристики при питании электродвигателя от управляемого выпрямителя; б) от импульсного регулятора.

Характерной особенностью этих характеристик является резкий подъем характеристик в области малых нагрузок, что обусловлено явлением прерывистых токов.

5.4 Регулирование скорости электродвигателей переменного тока полупроводниковыми преобразователями частоты.

Частоту вращения ротора электродвигателя переменного тока можно определить, как

, (3.1)

где f — частотa питающего напряжения;

pп — число пар полюсов;

s — скольжение.

Изменяя один или несколько параметров, входящих в (3.1), можно регулировать частоту вращения электродвигателя и, следовательно, насоса. На рисунке 3.1 представлены возможные системы регулируемого электропривода нагнетателей. Питание двигателя частотно – регулируемого электропривода осуществляется вентильным преобразователем частоты (ПЧ – рисунок 3.1, а.б), в котором постоянная частота питающей сети преобразуется в переменную . Пропорционально частоте изменяется частота вращения электродвигателя, подключенного к выходу преобразователя. В настоящее время для реализации частотного управления машинами переменного тока применяют различные варианты преобразователей частоты, отличающиеся принципом действия, схемными решениями, алгоритмами управления и т.д.

Источник

Читайте также:  Формула действующее значение переменного напряжения если