Регулятор потужності

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ  ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ЕЛЕКТРОМЕХАНІКИ 
 
 
 
 
 

Комплексна  курсова робота

з курсу  «Електроніка та мікросхемотехніка»

на тему: Регулятор потужності 
 
 

        Виконав

        ст. гр. ЕМО-08

        Іванов Є .О.

   Прийняв: Викладач

         Ложечка С. М. 
 
 
 
 
 
 

Кривий  Ріг

2010

ЗМІСТ 

     Вступ……………………………………………………………………………3

     1. Регулятори потужності……………………………………………………..4

     1.1. Регулятор для швейної машини………………………………………….4

     1.2. Цифровий регулятор потужності………………………………………...6

     1.3. Регулятор потужності для бортової  мережі автомобіля………………..8

     1.4. Регулятор потужності для електродвигуна…………………………….10           

     1.5. Побутовий регулятор потужності………………………………………12     

     1.6. Регулятор потужності, що не створює перешкод……………………...14

     1.7. Регулятор потужності для паяльника…………………………………..16

     1.8. Регулятор потужності для настільної  лампи…………………………..17

     1.9. Регулятор потужності на двох  однакових триністорах……………….18  

     1.10. Тиристорний регулятор потужності…………………………………..19

     2. Регулятор потужності електродвигуна…………………………………...21

     2.1. Схема електрична принципова………………………………………….21

     Список  використаної літератури…………………………………………….27 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВСТУП 

     Регулятори потужності призначені для можливості контролю за величиною потужності, що подається на вхід навантаження. Регулювання потужності відбувається за рахунок зміни значення напруги або струму у колі.

     Для оперативного та якісного  регулювання потужності застосовуються здебільшого складні схеми регуляторів, які переважно мають у своєму складі логічні елементи та інші цифрові пристрої, що забезпечують точність та швидкодію регулювання.

     Частина регуляторів потужності розраховані на заздалегідь визначене число позицій регулювання, інші регулятори можуть змінювати величину вихідної потужності безперервно у встановленому діапазоні.

      Регулятори потужності здобули  широке використання за рахунок  практичної необхідності постійної  зміни значення потужності, що подається на навантаження, особливо часто це має місце у технологічних та промислових процесах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. РЕГУЛЯТОРИ  ПОТУЖНОСТІ 

     1.1. Регулятор для швейної машини 

     Регулятор  застосовується для поступової  зміни частоти обертання валу електродвигуна швейної машини. Принципова схема регулятора зображена на рис. 1. 

Рис. 1. Принципова схема регулятора для швейної  машини 

     Основою  приладу виступає фазоімпульсний  триністорний регулятор (VS1, VT1, VT2, C4, R4, R5). Фазозсувне коло складається з конденсатора C4, резистора R5 і змінного резистора R4. Тривалість часу зарядки конденсатора С4 до напруги U_спрац, при якій відкривається аналог одноперехідного транзистора (VT1, VT2), а слід за ним і триністор VS1, залежить від положення рушія змінного резистора R4. Тривалість зарядки буде найбільшою при максимальному значенні опору резистору R4 і найменшою при мінімальному.

     Триністорний регулятор живиться пульсуючою напругою від параметричного стабілізатора, який складається з резистора R2 і стабілітронів VD3, VD4. Конденсатор С3 захищає прилад від високочастотних перешкод, і діод VD2 – керуюче коло триністора від зворотної напруги, яке виникає при перемиканні регулятора. Резистор R1 і конденсатори С1, С2 знижають рівень перешкод радіоприймачу, які виникають при роботі регулятора і електропривода.

     Резистори  R3, R6 і R8 забезпечують необхідний режим роботи транзисторів VT1, VT2, причому паралельно до резистора R6 підключений резистор R7, який дозволяє зменшити тривалість імпульсів відкриваючої напруги при відкриванні диністора оптрону.

     Оптрон U1 – елемент зворотного зв’язку, який використаний у приладі для забезпечення відповідності потужності на валу електродвигуна змінному моментові навантаження при низькій частоті обертання вала.

     Параметри  елементів коло зворотного зв’язку  підібрані таким чином, щоб  при загальмованому електродвигуні  світлодіод оптрону вимикався,  а при розгоні вмикався, і диністор, відкриваючись, підключав паралельно  резистору R6 резистор R7.

     Введення  лампи накалювання EL1 дозволяє при зміні падіння напруги на колекторі електродвигуна від 0 до 120 В підтримувати струм у вхідному колі оптрону не більше 40 мА, що не перевищує допустимого. [1] 
 
 
 
 
 
 

     1.2. Цифровий регулятор потужності 

     Цей  прилад призначений для фазного регулювання потужності у трифазних електротеплових установках. Принципова схема регулятора зображена на рис. 2. 

Рис. 2. Цифровий регулятор потужності 

     В  регуляторі застосовано імпульсний  метод регулювання комутуючими  елементами – симетричними тиристорами. Час фазного регулювання визначає число розрядів в лічильнику вузла керування і період напруги мережі.

     Цифровий  код регулювання від керуючого  мікропроцесора надходить на  вхід трьох однакових за схемою  вузлів керування – каналів А, В і С. Фазна інформація, необхідна для роботи кожного каналу, надходить від трифазної мережі живлення навантаження. Кожен канал випрацьовує сигнал керування своїм симістором.

     Синусоїдна  фазна напруга через резистор  R1 Надходить до вузла синхронізації, який виконаний на спареному оптроні U1. При додатній півхвилі струм проходить через світлодіод оптрона U1.1, і транзистор цього оптрону відкритий, тому на входах логічного елемента DD1.1 низький рівень сигналу. При від’ємній півхвилі відкритий транзистор оптрону U1.2, і на входах елемента DD1.1 також низький рівень.

     В  моменти, коли напруга мережі  проходить через нуль, обидва  світлодіода вимкнені, транзистори  оптронів закриті, а на входах  елемента DD1.1 на короткі проміжки часу з’являється рівень 1. На виході цього елемента формуються прямокутні синхроімпульси у моменти, коли фазна напруга мережі дорівнює нулю.

     Синхроімпульси  надходять одночасно на вхід  дозволу запису РЕ лічильника  DD2, на один з входів RS-тригера, зібраного на елементах DD3.1, DD3.2, і на керуючий вхід генератора імпульсів. Коли на вхід РЕ лічильника DD2 надходить напруга низького рівня, то код, зафіксований раніше по паралельним входам D1 – D4 лічильника, завантажується в нього незалежно від сигналів на тактових входах, тобто операція паралельного завантаження асинхронна.

     Якщо перелік досягає максимуму, то при надходженні наступного від’ємного тактового перепаду на вхід +1 лічильника на його виході з’явиться рівень 0.

     На  виході RS-тригера з’являється сигнал високого рівня, який дозволяє проходження імпульсів генератора на вихід елемента спів падання DD4.1. Цей елемент формує низки коротких імпульсів, які через імпульсний трансформатор Т1 надходять на керуючий перехід симістора каналу і відкривають його.

     Струм, що споживається усіма трьома каналами від джерела стабілізованої напруги 5 В, – близько 100 мА. [2]       
 
 
 
 
 
 
 

     1.3. Регулятор потужності для бортової мережі автомобіля 

     Принципова  електрична схема регулятора  зображена на рис. 3.        Регулятор забезпечує максимальний струм збудження 2,5 А. Границі регулювання частоти обертання колінчатого валу двигуна, при якій вмикається струм збудження генератора, – 1200…1300 хв^-1. 

Рис. 3. Принципова схема регулятора потужності для  бортової мережі автомобіля 

     При  вмиканні запалювання напруга  живлення подається на вивід  «ВЗ» регулятора. Спрацьовує реле  К1 і контактами К1.1 підключає  акумуляторну батарею до дільника  напруги R12-R15. Припустимо, що контакти вимикача SA1 розімкнуті і двигун не працює. У цьому випадку напруга на рушії підстроювального резистора R14 і на інвертую чому вході операційного підсилювача DA2 менша за напругу на стабілітроні VD2 та інвертуючому вході цього операційного підсилювача. На виході операційного підсилювача DA2 буде напруга близько 11 В, яка при проході через діоди VD3, VD4 і резистори R16, R17 створює струм, який відкриває транзистор VT2. Слід за цим транзистором відкриється потужний транзистор VT3, через який до обмотки збудження генератора з виводом «Ш» пройде струм від батареї акумулятора.

     Оскільки  колінчатий вал ще не обертається  і імпульси від контактів переривача  на резистор R1 не надходять, на виході логічного елемента DD1.4 діє низький рівень. Конденсатор С3 розряджений, тому на неінвертуючому вході компаратора DA1 також буде низький рівень. До інвертуючого входу компаратора з рушія підстрочного резистора R8 підведена порогова напруга близько 2,5 В, тому на виході компаратора напруга буде близькою до нуля.

     Якщо тепер замкнути контакти тумблера SA1, то транзистор VT2, а значить, і VT3 будуть закриті і струм обмотки збудження генератора вимкнений. Таким чином, при замкнених контактах тумблера SA1 після вмикання запалювання обмотка збудження генератора буде знеструмлена до тих пір, поки колінчатий вал двигуна залишається нерухомим.

     Після  того, як стартер починає обертати  колінчатий вал, від переривача  на резистор R1 регулятора надходять імпульси напруги амплітудою до

200…300 В. Стабілітрон  VD1 обмежує їх на рівні 8,2 В. Ці імпульси інвертує елемент DD1.1, і своїм фронтом вони запускають одновібратор, виконаний на елементах DD1.2 і DD1.3. Вихідні імпульси одновібратора інвертує елемент DD1.4, до виходу якого підключене коло R4, C3.

     Коли напруга на конденсаторі С3 перевищить порогову напругу на рушієві резистора R8, компаратор DА1 перемкнеться, на його виході з’явиться напруга високого рівня і відкриє транзистори VT2, VT3. Таким чином, при перевищенні двигуном частоти обертання колінчатого валу тахометричний вузол перестане впливати на роботу регулятора. [3] 
 
 

     1.4. Регулятор потужності для електродвигуна 

     Прилад, схема якого зображена на рис. 4, дозволяє у встановлених межах  змінювати частоту обертання  якоря підключеного до нього  електродвигуна. 

Рис. 4. Принципова схема регулятора частоти обертання якоря електродвигуна 

     Принцип роботи приладу засновано на двопівперіодному керуванні симістором VS1. Випрямний мост VD1-VD4 і стабілітрон VD5 забезпечують живлення вузла керування симістором VS1 пульсуючою напругою. Резистор R1 гасить надмірну напругу мережі. Затримку відкривання симістора за фазою визначає час зарядки конденсатора С1 через резистори R2 і R3 від джерела напруги, рівень якої визначається стабілітроном VD5 і коефіцієнтом передачі одноперехідного транзистора VТ1.

     За  деякої порогової напруги на  конденсаторі С1 одноперехідний  транзистор відкривається, і на  його навантажуючому резисторі  R5 з’являється імпульс напруги, який транзистор VТ2 підсилює до рівня, необхідного для включення симістора. Симістор залишається відкритим до тих пір, доки струм, що проходить через нього, не зменшиться до порогу його відключення. При цьому конденсатор С1 розряджається до напруги закривання одноперехідного транзистора VТ1. Після вимикання симістора конденсатор С1 знову заряджається – починається наступний цикл роботи вузла керування симістором. [4]

     1.5. Побутовий регулятор потужності 

     Принципова  схема регулятора зображена на  рис. 5. 

Рис. 5. Принципова схема побутового регулятора потужності 

     Пристрій складається з мультивібратора (DD1.1, DD1.2), формувача імпульсів (DD1.4), вузла співпадання (DD1.3). Мультивібратор формує імпульси тривалістю від 0 до Т. При цьому на виході елемента DD1.2 буде сигнал низького рівня, що відповідає нульовій потужності в навантаженні, а в іншому – сигнал 1, що відповідає 100% потужності. В моменти, коли випрямлена напруга мережі дорівнює нулю, формувач випрацьовує короткі імпульси. Вузол співпадання пропускає базу транзистора VT1 низки імпульсів, які керують вмиканням триністора. Триністор відкривається і пропускає до навантаження відповідне число півперіодів випрямленої напруги.

     Даний  регулятор призначений для регулювання  температури паяльника, електропечі, електрокаміну, електроплитки.

     Збільшивши  період коливань мультивібратора,  регулятор можливо використовувати  для отримання світлових ефектів.  Для цього необхідно відповідно  збільшити ємність конденсатора  С1. Лампи, підключені до виводів  «Навантаження», будуть блимати  з частотою мультивібратора. [5]

     1.6. Регулятор потужності, що не створює перешкод 

     Триністорні регулятори потужності, зібрані за традиційною схемою, мають суттєвий недолік – вони є джерелом високочастотних перешкод. Принципова схема регулятора потужності, що не створює перешкод, зображена на рис. 6. 

Рис. 6. Принципова схема регулятора потужності, що не створює перешкод 

     Регулятор  розрахований на десять ступенів  регулювання потужності навантаження  – від 10 до 100% від номінальної з дискретністю 10%.

     Двійково-десятковий  лічильник з дешифратором DD2 формує на виходах додатні імпульси тривалістю Т, що дорівнює половині періоду напруги мережі, зсунуті один відносно іншого на час Т. Як тільки високий рівень з’явиться на виході 0 цього лічильника, він встановить тригер, зібраний на елементах DD1.3, DD1.4, у одиничний стан (високий рівень на виході елемента DD1.4), що призведе до відкривання транзистора VT1 підсилювача струму, а слід за ним – і триністора VS1.

     Триністор буде відкритий до тих пір, доки високий рівень не з’явиться на тому виході лічильника DD2, з яким з’єднаний рушій перемикача SA1. В цей момент перемкнеться RS-тригер DD1.3, DD1.4 і закриється триністор VS1. Таким чином, потужність, що виділяється у навантаженні, обернено пропорційна скважності імпульсів на виході RS-тригера, а скважність можна регулювати перемикачем SA1. [6] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.7. Регулятор потужності для паяльника 

   Даний регулятор потужності дозволяє поступово змінювати температуру нагрівання жала паяльника. Принципова схема регулятора зображена на

рис. 7. 

Рис. 7. Принципова схема регулятора потужності для  паяльника 

     Регулятор складається з малопотужного триністора і випрямного діоду, увімкнених зустрічно-паралельно і вставлених у розрив одного з проводів живлення паяльника.

     При  додатному півперіоді напруги  на Х1 струм проходить через  діод VD1 і навантаження (паяльник), увімкнене до Х2.

     При  від’ємному півперіоді напруги на Х1 діод закритий і струм через навантаження відсутній. Завдяки використанню триністора з додатковими деталями є можливість шунтувати діод, коли він закритий, і пропускати через навантаження додатковий струм. Цей додатковий струм можна регулювати змінним резистором R3, змінюючи фазу відкривання триністора. В результаті буде змінюватися середній струм, що проходить через навантаження, а значить, і потужність, що виділяється на ній. [7] 

     1.8. Регулятор потужності для настільної лампи 

     Принципова  схема регулятора зображена на  рис. 8.      

Рис. 8. Принципова схема регулятора потужності для  настільної лампи 

     Навантаження (настільна лампа) увімкнена до мережі через діодний міст VD1-VD4. Діоди увімкнені таким чином, що доки триністор VS1 закритий, струм через навантаження не проходить.

     Випрямлена мостом напруга прикладена до аноду та катоду триністора і одночасно надходить на зарядне коло, що складається з резисторів R1, R2 і конденсатора С1. Як тільки конденсатор зарядиться до певної напруги, триністор відкриється та закоротить діагональ мосту. Через навантаження пройде струм. Це буде відбуватися при кожному півперіоді напруги мережі.

     Момент  відкривання триністора залежить  від ємності конденсатора і  загального опору резисторів. [8] 
 
 
 
 
 

     1.9. Регулятор потужності на двох однакових триністорах 

     Принципова  схема регулятора потужності  зображена на рис. 9. 

Рис. 9. Принципова схема регулятора потужності на двох однакових триністорах 

     Два  однакових триністора увімкнені  таким чином, що кожен працює  при своєму півперіоді напруги мережі. Коли на верхньому за схемою проводі додатній півперіод, через резистори R1, R2 і діод VD2 заряджається конденсатор С2 і відкривається триністор VS2.

     При появі на цьому проводі від’ємного півперіоду триністор VS2 закривається, але відкривається VS1, коли конденсатор С1 зарядиться. Струм через навантаження буде протікати в обидва півперіоди напруги, але загальна його кількість залежить від положення рушія змінного резистора R2. [9]  
 
 
 
 

     1.10. Тиристорний регулятор потужності 

     На  рис. 10 зображена принципова схема  тиристорного регулятора потужності. 

Рис. 10. Принципова схема тиристорного регулятора потужності 

     Протягом  кожного півперіоду мережі через  резистори R6 і R7 заряджається конденсатор С2 до напруги відкривання порогового приладу – одноперехідного транзистора VT1. У цей момент триністор формує імпульс, який відкриває триністор VS1.

     Якщо  навантаження низьковольтне, а  вмикання відбулося в середині  півперіоду, то накопичувальний  конденсатор С2 зарядиться до напруги спрацювання порогового приладу тільки на початку наступного півперіоду. Тому майже вся напруга мережі буде подана на низьковольтний споживач через триністор VS1.

     Передчасне  відкривання триністора може  відбутися і при зниженні напруги  в мережі, коли за один півперіод конденсатор С2 не встигне зарядитися до напруги спрацювання порогового приладу і навантаження буде підключатися до мережі на початку кожного другого півперіоду.

     Звичайно  триністор не відкривається через  малість напруги на ньому і швидкості процесу, а якщо і відкриється, то буде закритий при першому ж переході напруги через нуль. Тому використання одноперехідного транзистора вирішує задачу примусової розрядки накопичувального конденсатора наприкінці кожного півперіоду мережі.

     Резистором  R7 регулюють потужність на навантаженні, а резистором R4 встановлюють межі інтервалу регулювання. [10] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. РЕГУЛЯТОР ПОТУЖНОСТІ ЕЛЕКТРОДВИГУНА 

     2.1. Схема електрична принципова 

     У  тих випадках, коли повна зупинка двигуна небажана, можна застосовувати регулятор потужності, принципова схема якого зображена на рис. 11. 

Рис. 11. Принципова схема регулятора потужності електродвигуна 

     У  цьому регуляторі напруга живлення  не знижується нижче визначеного рівня. Стабілізатор LM317 можна замінити його вітчизняним аналогом КР142ЕН12. Діючі за таким самим принципом регулятори можна скласти і на інтегральних стабілізаторах з фіксованою вихідною напругою.

     Напруга, що подається на вхід двигуна, не може зменшитися нижче номінальної вихідної напруги стабілізатора. За необхідністю живити двигун від’ємною відносно спільного провідника напругою достатньо застосувати у регуляторі стабілізатор, увімкнений у мінусовий провідник, і транзистор структури p-n-p.

    Регулятор перевірений в процесі роботи з комп’ютерним кулером на номінальну напругу 9 В.

     В  залежності від потужності двигуна  і значення вхідної напруги  живлення може знадобитися додати  до стабілізатора тепловідвід. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК  ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 

     1. Банников В. Регулятор для швейной машины // Радио. – 1990. – №3. –

с. 32

     2. Калашник В. Цифровой регулятор  мощности // Радио. – 1991. – №1. –

с. 60

     3. Шифрин А. Регулятор мощности для бортовой сети автомобиля // Радио. – 1992. – №12. – с. 32

     4. Хухтиков Н. Регулятор мощности  для электродвигателя // Радио. –

1993. – №2. –  с. 27

     5. Радомский А. Бытовой регулятор  мощности // Радио. – 1993. – №4. –

с. 38

     6. Конов К. Регулятор мощности, не создающий помех // Радио. –

1995. – №9. –  с. 26

     7. Прокопцев Ю. Регулятор мощности для паяльника // Радио. – 1997. –

№8. – с. 36

     8. Саламатов Г. Регулятор мощности  для настольной лампы // Радио.  – 1998. – №11. – с. 35

     9. Соколов Б. Регулятор мощности на двух одинаковых тринисторах // Радио. – 1999. – №7. – с. 45

     10. Коротков И. Тиристорный регулятор  мощности // Радио. – 2000. – №5. – с. 49

11. Нечаев И. Регулятор мощности электродвигателя // Радио. – 2006. –

№10. – с. 47

12. http://pdf.eicom.ru/datasheets/maxim_pdfs

     13. Шило В. Л. Популярне цифрове  микросхемы. – М.: Радио и связь, 1988. – 552 с.