В релейной системе стабилизации цепи управления отслеживают изменения напряжения на нагрузке, и, когда его значение выходит за пределы допустимой зоны стабилизации, производится формирование импульсов, при воздействии которых и происходит «подкачка» энергии в цепь нагрузки.
Способ ШИМ-стабилизации, несмотря на некоторые схемотехнические усложнения узла, по сравнению с двумя другими методами, нашел наиболее широкое применение на практике.
Поэтому этот метод стабилизации вторичного напряжения будет рассмотрен наиболее подробно. ШИМ-регуляторы имеют следующие преимущества:
• обеспечение высокого КПД и поддержание основной частоты преобразования независимо от изменения напряжения первичного питания и величины нагрузки. При этом частота пульсаций на нагрузке имеет постоянное значение, что важно при проектировании и использовании фильтров с расчетными характеристиками и может быть критичным для нагрузок с различным характером входного сопротивления;
• возможность применения цепей синхронизации частоты с внешним задающим генератором, обладающим заданными параметрами.
И в этом случае структурная схема ШИМ-регулятора и его подключение к каскадам ПН представлены на рис. 1.12.
Напряжение на нагрузке в общем случае может быть произвольным, и поэтому устройство сравнения подключается к ней через делитель напряжения.
Кроме того, предполагается, что напряжение на нагрузке находится в пределах, определяемых диапазоном регулировки, и во время работы в ней не возникает внештатной ситуации (короткое замыкание и т. п.).
Устройство сравнения вырабатывает сигнал рассогласования, знак которого определяется соотношением сравниваемых входных сигналов — опорного напряжения и напряжения с выхода делителя напряжения.
После необходимого усиления сигнал рассогласования U и сигнал специальной формы U, выдаваемый формирователем опорного сигнала, подаются на второе устройство сравнения и компаратор напряжения. Компаратор выполняет квантование входного сигнала рассогласования. После компаратора сигнал управления U приобретает форму импульсов с заданными частотой и длительностью.
Устройство согласования выполняет усиление импульсного сигнала управления до уровня и мощности, необходимой для возбуждения усилителя мощности. Временное положение выходных импульсов компаратора относительно сигнала специальной формы зависит от выбранного метода формирования последнего.
Формирователь сигналов специальной формы может генерировать три вида сигналов заданной частоты: треугольной формы, прямой пилы (положительное нарастание напряжения) и обратной пилы.
На устройстве сравнения 2 проводится сопоставление текущих значений усиленного сигнала рассогласования напряжений.
Фронт (начало) импульса появляется, когда результирующее напряжение сравнения U совпадает с некоторым значением напряжения А. Спад (окончание) импульса формируется при значении U, равном — А. Этот эффект называют гистерезисом. Параметры гистерезиса зависят от скорости изменения напряжения U, а инерционность срабатывания элементов определяется временем рассасывания неосновных носителей в полупроводниковых приборах. В случае генерации сигнала треугольной формы сформированная импульсная последовательность имеет некоторое отклонение от частоты исходного сигнала специальной формы.
По рис. 2.8 видно, что при совпадении величин этих сигналов происходит срабатывание компаратора.
Импульс положительного напряжения на его выходе появляется в момент превышения напряжением U импульсной последовательности как по длительности импульса, так и по частоте его следования.
Формирование импульсного напряжения на выходе компаратора происходит с некоторым запаздываем по времени и уровню, что отражает реальную картину управляющей последовательности с модуляцией положения фронта импульса. В данном случае производится генерация пилообразного сигнала с положительным нарастанием напряжения.
Рис. 2.8. Структурная схема стабилизатора напряжения
Схема оптронного стабилизатора сетевого напряжения представлена на рис. 2.9.
Рис. 2.9. Пример электрической схемы оптронного стабилизатора
Предлагаемая схема стабилизатора сетевого напряжения отличается от ранее описанных тем, что обратная связь по напряжению организована с помощью оптрона. За счет инерции осветительного прибора, входящего в оптрон ОЭП2, достигается некоторый гистерезис, обязательный в схемах с обратной связью. Без гистерезиса будет происходить релаксация схемы, которая будет выражена в мерцании лампочки HL1, которая является в данной схеме нагрузкой.
Рассмотрим работу схемы, изображенной на рис. 2.9.
В момент включения сетевого напряжения синусоидальное напряжение, ограниченное резистором R4, поступает на диодный мост VD1. На нагрузке напряжение отсутствует, поэтому сопротивление оптрона велико, транзистор VT1 открывается за счет смещения поступающего с резистора R6. Ток, протекая через резистор R5 и открытый транзистор VT1, заряжает емкость С1. В тот момент, когда напряжение достигнет уровня пробоя аналога динистора, собранного на деталях VT2, VT3, R7, R8, конденсатор С1 разрядится на первичную обмотку импульсного трансформатора Т1. В результате импульс со вторичной обмотки откроет симистор VS1. Время скорости зарядки емкости, а значит, и время открывания симистора зависят от сопротивления R5 и сопротивления перехода эмитер-коллектор транзистора VT1.
При закрывании этот транзистор мы уменьшаем напряжение на нагрузке, что и происходит за счет уменьшения сопротивления резистора оптрона. Порог, на котором наступит баланс, регулируют резистором R2, находящимся за датчиком выходного напряжения.
Налаживание такого устройства заключается в установке максимального напряжения при помощи резистора R5 при отключенном проводе от потенциометра R2 и оптрона Ш.
Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце М2000НМ размером К20х12х6. Первичная обмотка состоит из 100 витков, а вторичная — из 60 витков провода ПЭВ1 диаметром 0,15 мм.
2.5. Стабилизаторы напряжения для альтернативных источников электропитания
Высокоточные, надежные, бесшумные, с плавной регулировкой стабилизаторы напряжения серии Orion охватывают диапазон мощностей 2 кВА…450 кВА. Выпускаются модели как с регулировкой по среднефазному значению выходного напряжения (серия А), так и с независимой регулировкой по каждой фазе (серия Y). Эти модели широко используются в системах преобразования электроэнергии от альтернативных источников.
На рис. 2.10 представлен внешний вид такого стабилизатора.
Рис. 2.10. Стабилизатор мощностью 7 кВА
Модели серии А (с регулировкой по среднефазному напряжению) являются более простыми устройствами и используются исключительно для питания трехфазных нагрузок. В то же время модели серии Y (с независимой регулировкой по каждой фазе) рекомендуется применять для работы с сегментированными однофазными нагрузками (для которых требуется наличие нулевого провода) или с несбалансированными трехфазными нагрузками.
Существуют следующие модификации стабилизаторов напряжения, различающиеся допустимым диапазоном изменения входного напряжения: ±15 %, ±20 %, ±25 %, ±30 %, -25 %/+15 %, -35 %/±15 %, -45 %/±15 %.
При этом точность стабилизации выходного напряжения составляет ±1 %. Чем шире диапазон стабилизации, тем больше вес и габариты устройства, а также выше его стоимость.
Модели с независимой регулировкой представляют собой три независимых однофазных стабилизатора. Их конструкция и принцип действия полностью аналогичны однофазным моделям. Клеммные панели размещаются отдельно в нижней части корпуса, что проиллюстрировано на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Вид внутри корпуса стабилизатора
Стабилизаторы монтируются в металлическом корпусе, установленном на колесах для удобства перемещения.
Кроме систем преобразования электроэнергии от нетрадиционных (альтернативных) источников питания, рассматриваемые стабилизаторы применяются для защиты следующих объектов: загородные дома, коттеджи, промышленные предприятия, технологические линии, административные здания, гостиницы, отели, медицинские центры, серверные помещения и др.
Основными техническими особенностями этого класса электронных приборов являются плавность и высокая точность регулировки напряжения, быстродействие, малый уровень шума, пожаробезопасность.
Наличие встроенного цифрового мультиметра позволяет оперативно контролировать все основные параметры входного и выходного напряжений, а также нагрузки. Регулировка осуществляется с помощью подстроечных резисторов, установленных внутри корпуса стабилизаторов, согласно иллюстрации, представленной на рис. 2.12.
Рис. 2.12. Вид на подстроечные резисторы реп/лировки режимов стабилизатора
2.5.1. Проверка устройства и подготовка к работе
Для предотвращения появления конденсата перед подключением стабилизатора следует выдержать время не менее 2 часов (такая мера оправдана, если транспортировка прибора проводилась при отрицательной температуре).
Установить стабилизатор напряжения на твердой горизонтальной поверхности в помещении, защищенном от строительной пыли, агрессивных газов и легковоспламеняющихся материалов.
Заземлить корпус стабилизатора.
Подключить в сеть 220 В соответствующую пару входных клемм на задней панели стабилизатора.
Установить автоматический выключатель в положение «включено» примерно на 10 секунд (вольтметр выходного напряжения должен показывать 220 В).
Установить автоматический выключатель в положение «выключено».
Подключить нагрузку к выходным клеммам, убедиться в надежности контактных соединений.
Установить автоматический выключатель в положение «включено», после этого загорится световой индикатор «нормальная работа».