Як отримати чисту синусоїду з модифікованою. Частина 1

Журнал РАДІОЛОЦМАН, листопад 2013

Валентин Володін

вступ

Ще не стерлися з пам'яті події «лихих» 90-х. Пам'ятається МММ, розгул криміналу, віялові відключення електроенергії. На Україні, наприклад, у другій половині 90-х справа доходила до того, що світло в житлових районах вимикали на 2 години через кожні 2 години. Пам'ятається, найбільш підступним був зимовий період темряви між п'ятьма і сьомою годиною вечора. Якраз, коли народ повертався з роботи. Вивантажувати на зупинці, автобус їде, і ти залишаєшся в повній темряві. Намагаєшся звикнути, треш очі, тиснеш на очні яблука. Все безрезультатно, навколо повна темрява. Нічого не вдієш, обережно ступаєш в темряві, намагаючись намацати заповітний паркан, який повинен вивести до рідної хвіртки і потихеньку, на дотик, додому.

Однак в цих поневіряння були і позитивні елементи. Наприклад, різко зріс попит на різні бензо- і дизель-генератори, а також на електронні перетворювачі і безперебійні джерела струму. Остання обставина дозволило людям творчим застосувати свої професійні навички і навіть трохи поліпшити на цьому терені своє фінансове становище. А там, дивись, з'явилися різні фірмочки, що випускають ці самі перетворювачі і бесперебойники. Який підйом в економіці утворилася, додаткові робочі місця і т. П. Власне, і Ваш покірний слуга, приблизно в ті часи, з електроніки малосилої подався в електроніку силову.

Не можна сказати, що тоді з цієї самої електронікою сильно мудрували. Робили, щоб було просто, надійно і дешево. В принципі, для того щоб живити одну-дві лампочки, більше нічого й не було потрібно. Однак у міру розвитку процесу конкуренція посилювалася. Народу вже стало з чого вибирати. Особливо вибагливі почали цікавитися формою напруги на виході перетворювачів і безперебійників. На що їм дуже обтічно відповідали, що форма там практично синусоїдальна, але лише злегка модифікована. Чесніші говорили, що там присутній синусоїда, але тільки квадратна. А вже зовсім чесні говорили безпосередньо, що їх перетворювачі і бесперебойники формують на виході прямокутна напруга з паузою. Але параметри цієї напруги (амплітудне і діюче значення, а також частота) практично відповідають аналогічним параметрам однофазного змінного напруги побутової електромережі. В принципі, така напруга цілком підходило для основних побутових електроспоживачів, таких телевізори, комп'ютери, а також накальную і люмінесцентні лампи. Ті ж електроспоживачі, які вимагали чисто синусоїдальної напруги (асинхронні двигуни, наприклад), були в меншості і погоди особливої ​​не робили.

Однак таке положення не могло тривати вічно. Кількість відключень скорочувалася і в якийсь момент вони практично взагалі припинилися. Однак паралельно на ринку побутових товарів стали з'являтися опалювальні котли, обладнані циркуляційними насосами, приводними засувками і електронним управлінням. Такі котли вимагали високоякісного безперебійного електроживлення. В іншому випадку, при відключенні електрики робота системи опалення повністю порушувалася.

І ось тут виникала якась дилема. Багато власників опалювального чуда вже володіли безперебійним джерелами, потужності яких з лишком вистачало для живлення котла. Однак, от лихо, циркуляційні насоси ні в яку не хотіли крутитися від «прямокутної синусоїди». Для диво-котла треба було купувати новий диво-безперебійне джерело, що формує на виході найчистішу синусоїду. А куди ж тепер подіти старий, до якого вже душею прикипіли. Недобре якось все це!

Але положення не безвихідне і старий друг нам ще послужить! Для харчування асинхронного двигуна від прямокутного напруги можна використовувати фільтр Отто. Є безліч позитивних прикладів практичного втілення такого підходу. Однак такий варіант не найпростіший і, вже точно, що не універсальний. Після тривалої і виснажливої ​​настройки фільтр можна буде використовувати тільки з конкретним двигуном. Хотілося б чогось більш універсального. Таким більш універсальним рішенням буде використання в якості фільтра феррорезонансного або подібного йому стабілізатора. При цьому ферорезонансний стабілізатор, включений після безперебійного джерела, буде не тільки виправляти форму його вихідної напруги в періоди відсутності мережі (робота від акумулятора), але і буде стабілізувати напругу мережі в моменти його присутності.

Нижче наводиться опис і принципова електрична схема феррорезонансного стабілізатора потужністю 1000 Ватт. У статті наведені формули і методика розрахунку, яка дозволить вам перерахувати стабілізатор на іншу потужність, якщо це буде потрібно.

ферорезонансний стабілізатор

Ферорезонансні стабілізатори мають ряд переваг, таких як висока надійність і швидкодію, широкий діапазон вхідної напруги, хороша стабільність вихідної напруги, здатність до виправлення форми сильно спотвореного вхідної напруги. Однак, не дивлячись на всі свої достоїнства, ці стабілізатори мають і деякі недоліки, до яких можна віднести відносно низьку питому потужність і високий рівень шумів, що створюються при роботі.

Не так давно, в 60-80-х роках минулого століття, ферорезонансні стабілізатори широко використовувалися в побуті для харчування лампових телевізорів. І старше покоління читачів, скоріше за все, до сих пір пам'ятає той надривний гул, яким супроводжувалася робота цих апаратів, які розрізнялися формою і забарвленням, але мали вагу 10-15 кг при потужності 250-350 Вт.

Основним джерелом шумів в Ферорезонансні стабілізаторі є насичується дросель. В роботі сердечник цього дроселя постійно насичується, що призводить до зміни його лінійних розмірів. Це явище називається магнітострикційним ефектом. Про «шумності» цього ефекту говорить хоча б той факт, що він широко використовується в гидроакустике для генерації потужних акустичних хвиль. Отже, якщо ми хочемо побудувати тихий стабілізатор, то в першу чергу повинні позбутися від насичує дроселя. Однак не можна просто так викидати неугодні комплектуючі з стабілізатора. В цьому випадку ми ризикуємо втратити його функціональність. Щоб цього не сталося, спочатку потрібно знайти гідну заміну. І на нашу удачу така відбулась заміна є. Ще в 70-х роках минулого століття була доведена можливість заміни насичує дроселя послідовної ланцюжком, що складається з лінійного дроселя і двох зустрічно-паралельних тиристорів [1]. Така ланцюг поводиться аналогічно насичує дроселя, але на відміну від нього має менші розміри і масу, може оперативно регулюватися за рахунок керування тиристорами, забезпечує менші втрати і, найголовніше, набагато менше шумить. У технічній літературі такий ланцюжок часто називається резонансним тиристорним регулятором (РТР) [2]. При необхідності, два зустрічно-паралельних тиристора РТР можна з успіхом замінити одним симистором.

Робота стабілізатора

Функціональна схема стабілізатора з РТР [2] зображена на рисунку 1.

Стабілізатор з РТР має практично той же принцип дії, що і ферорезонансний стабілізатор. Вихідна напруга UН підтримується на необхідному рівні (220 В). Коли напруга мережі живлення UС має мінімальне значення, симистор VS1 замкнений. При цьому напруга UН піднімається до необхідного рівня за рахунок резонансу в коливальному контурі L1C1. Якщо ж напруга мережі живлення UС має максимально допустиме значення, то симистор VS1 постійно відкритий. При цьому дроселі L1 і L2 утворюють дільник змінної напруги, що зменшує напруга мережі до необхідного рівня. У Ферорезонансні стабілізаторі насичується дросель також максимально використовується при максимальному вхідному напрузі, і мінімально при мінімальному. Дросель L3 спільно з конденсатором С1 утворює фільтр третьої гармоніки, що поліпшує форму вихідної напруги стабілізатора.

Розглянемо докладніше роботу стабілізатора з РТР. На рисунку 2 зображено осцилограми основних напруг і струмів стабілізатора з РТР. Вихідна напруга стабілізатора UН випрямляється за допомогою випрямляча В2. Випрямлена напруга UВ2 надходить на фільтр Ф, який виділяє з нього середнє, чинне або амплітудне значення, в залежності від того, яке значення вихідної напруги UН потрібно стабілізувати. Далі напруга з виходу фільтра надходить на суматор, де порівнюється з опорною напругою Uоп. З виходу суматора напруга помилки надходить на регулятор Реєстр, який формує керуючий сигнал, покликаний компенсувати відхилення вихідної напруги стабілізатора. Вихідна напруга регулятора Uпор надходить на вхід порогового пристрою ПУ і визначає його поріг спрацьовування. На інший вхід порогового пристрою подається синхронізуюча напруга UВ1, прив'язане до моментів переходу через нуль вихідної напруги UН стабілізатора. На виході порогового пристрою ПУ формуються імпульси управління Uупр, які посилюються підсилювачем потужності УМ і в необхідній полярності надходять на керуючий електрод сімістора VS1. Синхронізуюча напруга створюється за допомогою інтегратора Інт і випрямляча В1. Завдяки інтегратора, імпульси випрямленої напруги UВ1 відстають від імпульсів UВ2 на 5 мс (фазовий зсув -90 °).

Імпульси управління Uупр формуються на наростаючому фронті UВ1 між нульовим і амплітудним значенням цього напруги. При збільшенні граничної напруги Uпор імпульси управління максимально зсуваються до амплітудному значенням UВ1 і, відповідно, до нульового значення UВ2. В цьому випадку симистор відкривається в районі нульового значення UН і через лінійний дросель L2 протікає незначний струм IL2, який не робить істотного впливу на вихідну напругу стабілізатора. При зменшенні граничної напруги Uпор імпульс управління зсувається в бік амплітудного значення UН і через лінійний дросель L2 починає протікати істотний струм, який шунтує вихід стабілізатора і зменшує величину його вихідної напруги.

Якщо вихідна напруга стабілізатора менше необхідного, то регулятор Реєстр збільшує граничну напругу Uпор. В результаті струм, що протікає через дросель L2, зменшується, і вихідна напруга стабілізатора зростає за рахунок резонансу в коливальному контурі L1C1. Якщо вихідна напруга більше необхідного, то регулятор Реєстр зменшує граничну напругу Uпор. В результаті струм, що протікає через дросель L2, збільшується і вихідна напруга стабілізатора зменшується.

Розрахунок силової схеми стабілізатора

Розглянемо практичну методику розрахунку стабілізатора потужністю 1000 ВА. Такий стабілізатор може використовуватися як незалежний пристрій або спільно з застарілими джерелами безперебійного живлення для отримання синусоїдальної форми напруги.

Принципова електрична схема силових ланцюгів стабілізатора з РТР потужністю SН = 1000 ВА зображена на рисунку 3. Стабілізатор розрахований на роботу від мережі змінного струму 220 В 50 Гц c навантаженням, що має коефіцієнт потужності cos φН ≥ 0.7, і формує вихідну напругу UН = 220 В ± 1% у всьому діапазоні навантажень при зміні вхідної напруги від 150 до 260 В.

Насамперед необхідно визначити ємність резонансного конденсатора. Реактивну потужність резонансного конденсатора для стабілізатора без фільтра третьої гармоніки можна знайти за формулою:

де:

- кутова частота напруги, рад / с.

Знаючи реактивну потужність резонансного конденсатора, знайдемо його ємність:

Знайдемо індуктивність лінійного дроселя L1:

Знайдемо індуктивність лінійного дроселя L2:

Знайдемо індуктивність лінійного дроселя L3:

Так як в стабілізаторі для поліпшення форми вихідної напруги встановлено фільтр третьої гармоніки, ємність резонансного конденсатора можна зменшити:

Як C1 можна використовувати компенсуючі конденсатори типу К78-99 або аналогічні, призначені для корекції коефіцієнта потужності електромагнітних дроселів газорозрядних ламп. Наприклад, можна використовувати два включених паралельно конденсатора К78-99 ємністю 50 мкФ, розрахованих на напругу 250 В змінного струму. Для цієї ж мети можна використовувати конденсатор типу МБГВ 100 мкФ на напругу 1000 В.

закінчення