Стабилизатор переменного напряжения

К их схемам управления предъявляются  жесткие требования в отношении  симметрии запускающих импульсов, так как при несимметрии импульсов  управления в первичной обмотке силового трансформатора таких стабилизаторов появляется ток вынужденного намагничивания, что снижает КПД устройства и коэффициент мощности, повышает пусковой ток.

      Это вызывает необходимость принимать  меры для автоматической коррекции  угла включения тиристоров, что усложняет устройство стабилизации, увеличивает их габаритные размеры и массу.

Компенсационные стабилизаторы, в которых отводы низшей и высшей ступеней регулирования  силового трансформатора коммутируются  тиристорами, обладают рядом недостатков.

     Такая система стабилизации является иногда неудовлетворительной, так как трансформаторно-тиристорный регулятор, являющийся исполнительным звеном стабилизатора, представляет собой звено с фиксированным запаздыванием: открытые тиристоры могут закрываться только при изменении направления тока, протекающего через них. Величина запаздывания может достигать продолжительности одного полупериода питающего напряжения. Для обеспечения устойчивой работы стабилизатора с высоким быстродействием в каждом конкретном случае следует производить синтез регулятора, реализующего целесообразный закон управления.

     Устойчивость  таких стабилизаторов резко ухудшается при работе на индуктивную нагрузку с малым сопротивлением: во время  переходных процессов при появлении  в выходном напряжении постоянной составляющей возбуждаются соответствующие переходные процессы с апериодическими колебаниями в индуктивной нагрузке.

     Этих  недостатков лишены трансформаторно-тиристорные  стабилизаторы напряжения с параметрической  схемой управления. Параметры схемы изменяются в результате воздействия измерительного органа, подключенного к входу стабилизатора. При этом исключаются все неблагоприятные явления, связанные с неустойчивостью замкнутых систем регулирования. Стабилизаторы подобного типа могут быть построены на основе схем, представленных на рис. 5 и рис. 6.

Рисунок 5. Схема трансформаторно-тиристорного стабилизатора переменного напряжения с тиристорными ключами

Рисунок 6. Схема трансформаторно-тиристорного стабилизатора переменного напряжения с тиристорными ключами и вольтодобавочным трансформатором 

     Схема с вольтодобавочным трансформатором (рис. 6) предпочтительнее, так как позволяет получать высокие выходные напряжения. Однако в этой схеме при одновременном открытии тиристоров VS1, VS4 или VS2, VS3 закорачивается обмотка. При низких значениях нагрузки, когда напряжение сети и ток нагрузки значительно отличаются по фазе, ток короткого замыкания может вызвать пробой тиристоров. С целью повышения надежности стабилизаторов обоих типов необходимо применять специальные меры для обеспечения четкой коммутации тиристоров.

Рисунок 7. Стабилизатор напряжения 

     Схема, изображенная на рис.7, выполнена на основе двух тиристорных ключей, подключенных к выводам одной из обмоток  трансформатора (возможно использование также автотрансформатора). Напряжение на нагрузке регулируется за счет изменения коэффициента трансформации от минимального k_n= w2/(wl + wl) до максимального к_а = w2/wl: напряжение перераспределяется между обмотками в зависимости от момента подключения с помощью тиристорного ключа соответствующих выводов трансформатора к источнику питания. Особенность управления тиристорами состоит в следующем: тиристоры первого усилителя (VS1 и VS2) получают сигналы управления в начале полу периода и притом с анода-катода тиристоров второго усилителя (VS3 и VS4). Поэтому пока тиристоры VS3 и VS4 не включены (например, в начале полупериода), трансформатор TV понижает напряжение. С поступлением сигнала управления на тиристоры второго усилителя соответствующий тиристор (VS3 или VS4) открывается, при этом блокируя цепь управления тиристорами первого усилителя и напряжением на wl закрывается соответствующий тиристор (VS1 или VS2) первого усилителя. После этого (например, оставшуюся часть полупериода), трансформатор повышает напряжение. Регулировка выходного напряжения осуществляется изменением угла включения тиристоров второго усилителя. Выходное напряжение такого стабилизатора близко к синусоидальному. 
 
 
 
 
 
 
 
 

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ 

      Функциональная  схема стабилизатора переменного  напряжения (СПН) с гальванической связью между цепью нагрузки и питающей сетью представлена на рис.8 

 

Рисунок 8. Функциональная схема (СПН) 

     Здесь входной фильтр Ф1 обеспечивает синусоидальную форму тока, потребляемую из сети, а  выходной фильтр Ф2 подавляет высшие гармоники в выходном напряжении СПН, обусловленные процессами преобразования в регулирующем органе РО. Устройство согласования УС задаёт необходимый уровень напряжения, а измерительный преобразователь ИПН придает ему требуемый вид для сравнения с опорным напряжением постоянного тока.

      Отклонение  выходного напряжения U_вых от заданного значения, выявленное путем сравнения напряжения ИПН, на вход которого поступает напряжение обратной связи U_oc с опорным U_on, через усилитель рассогласования УР и корректирующее звено КЗ подается на вход схемы управления СУ. Выходное напряжение СУ изменяет алгоритм РО, что приводит к регулированию среднего значения напряжения на его выходе и уменьшению U_BbIX от заданного.

     На  рис.2 обозначено напряжение и импульсное регулирование на его выходе при  регулирующем воздействии со стороны  обратной связи.

     Управление  ключевыми коммутаторами осуществляется на повышенной частоте  f=1/ Т_шим, где - период квантования напряжения ключевыми коммутаторами путем изменения длительности импульсов напряжения t_H, прикладываемых к нагрузке в течение периода квантования Тшим .

     В СПН трансформаторы применяются для обеспечения суммирования регулируемого и нерегулируемого потока энергии. Индукция в магнитопроводе трансформаторов содержит низкочастотную и высокочастотную составляющие, поэтому последний проектируется на частоту питающей сети с учетом дополнительных потерь от высокочастотной составляющей.

     Схема СПН с однополярной нереверсивной  модуляцией (рис.1) обеспечивает регулирование  напряжения только вверх. Для получения  регулирования вниз необходимо изменить схему подключения одной из обмоток  трансформатора. Здесь ключи S1 и S2 работают в противофазе. При замкнутом ключе S2 (S1 - разомкнут) имеет место режим полной добавки напряжения на частоте сети. При замкнутом SI (S2 - разомкнут) реализуется прямая передача напряжения сети, т.е. Ul = U2.

      В схеме с двухполярной реверсивной модуляцией (рис.3) первичная обмотка трансформатора выполнена с нулевым выводом. Ключевые элементы в схеме работают в противофазе, и в зависимости от длительности замкнутого состояния ключей S1 и S2 реализуется либо добавка, либо отбавка регулирующей части напряжения и получается двухполярная реверсивная модуляция.

     Исходя  из, рассмотренного нами выше, материала  можно сделать вывод, что целесообразнее выбрать схему с двухполярной реверсивной модуляцией.

     В данном разделе курсового проекта представлено описание конструкции и принципа действия стабилизатора переменного напряжения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РАСЧЕТ  ВЫХОДНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 

При расчете  допускаются следующие допущения:

•   Напряжение питающей сети - синусоидально.

•   Намагничивающий ток силового трансформатора равен нулю.

•   Нагрузка активная.

• Частота ШИМ значительно превосходит частоту сетевого напряжения. Рассматриваемая кривая - симметрична относительно оси абсцисс, поэтому, согласно [3, с.370] можно утверждать, что в ней отсутствуют постоянная составляющая и четные гармоники. Т.к. кривая является периодической функцией с периодом 2 и удовлетворяет условию: f(wt) = -f(wt - ) f(wt) = -f(wt - ) - произведем разложение в ряд Фурье на интервале от 0 до . На этом интервале кривая выходного напряжения состоит из двух участков синусоид с различной амплитудой.

Исходные  данные

      Номинальное напряжение U=220 B

      Частота сети f=50 Гц

      Коэффициент трансформации Кm =6

      Длительность  импульса

      Период  ШИМ Т=20⁰ 

Кривая  входного напряжения описывается выражением:

U₁ = U_m sin(wt). 

Определим относительную добавку напряжения:

,

где К_т - коэффициент трансформации силового вольтодобавочного трансформатора. 

Рассчитаем  относительную длительность импульса:

,

где t_u - длительность импульса, с;

Т - период ШИМ, град, чтобы перевести из градусов в секунды воспользуемся формулой:

 

Определим относительную длительность паузы:

. 

Найдем  выходное напряжение на интервалах закоротки, которое повторяет кривую входного напряжения:

U₂ = U_m sin(wt). 
 

На интервалах вольтдобавки:

U₂ = U_m sin(wt)+ U_m  ^.sin(wt)= U_m (1+m) ^.sin(wt). 

Амплитуда косинусной и синусной составляющей первой гармоники:

.

 

Определим действующее значение выходного  напряжения, по [3]:

Действующее значение первой гармоники, согласно [3]:

. 

Определим коэффициент искажения выходного  напряжения:

,

где U_Д1 - действующее значение первой гармоники;

U_Д - действующее значение выходного напряжения. 

Из этого  следует

(1) 

Найдем  коэффициент гармоник выходного  напряжения, по [3]:    (2)

     В соответствии с выражением рассчитываются зависимости коэффициента гармоник выходного напряжения от относительной длительности импульса при различных параметрах вольтодобавочного трансформатора. Расчеты сведены в таблицы.