Стабилизатор переменного напряжения

ТЕМА  РАБОТЫ:

«Стабилизатор переменного напряжения»

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

По  дисциплине: «Электрические аппараты систем автоматики» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил  студент гр. 0А00       И.И. Иванов

          (подпись) 
 

Руководитель, доцент к.т.н.                 Е.П. Богданов

          (подпись) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Томск-20** 
 
 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ

с. 

Введение                                                                                                          4 

Выбор и описание принципиальной схемы  стабилизатора                                6 

Описание  конструкции и принципа действия стабилизатора напряжения       11 

Расчет  выходных электрических параметров                                                 13 

Заключение                                                                                                     21 

Список использованных источников                                                               22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

      Стабилизаторы напряжения — это устройства, предназначенные для поддержания постоянного значения напряжения. Идеальный стабилизатор при любом значении напряжения на входе, будет выдавать постоянное значение на выходе. Кроме того, при искажении синусоиды, возникновении всплесков и провалов на входе, на выходе должен выдавать правильную синусоиду без помех. Идеальный стабилизатор способен пропускать через себя любую мощность, при этом качество стабилизации не должно снижаться. Погрешность выходного напряжения должна быть 0 %.В реальности стабилизатор напряжения это законченный блок, состоящий из совокупности технических элементов, выполняющих определенные функции. Однако определить содержание устройства по названию «стабилизатор напряжения» однозначно нельзя. В настоящее время существует большое количество разнообразных приборов для выполнения функции стабилизации напряжения.

      По физике процесса стабилизаторы можно разделить на два больших вида.

1. стабилизаторы, накапливающие энергию и далее заново генерирующие ее в виде стабильного напряжения.

Стабилизатор напряжения системы «мотор — генератор»

Данное устройство работает по принципу преобразования электроэнергии в кинетическую и  далее генерированию ее обратно в электрическую. Накопление кинетической энергии происходит при разгоне тяжелого диска (шатуна), находящегося между мотором и генератором. Такие системы применяются при трехфазном напряжении.Даже при сильных скачках и провалах напряжения, скорость вращения шатуна остается неизменной. Импульсные скачки гасятся за счет большой инерции шатуна. Скорость же вращения шатуна зависит не от величины входного напряжения, а от периодичности фаз.Данные системы широко использовались для питания БЭВМ. В настоящее время используются редко. В основном на объектах стратегического значения.

Феррорезонансные стабилизаторы

Физические процессы в таких стабилизаторах можно  сравнить с качелями. Раскачанные  до определенной силы качели сложно остановить или резко заставить качаться быстрее. Катаясь на качелях не обязательно отталкиваться каждый раз — энергия колебания делает процесс инерционным. Увеличить или уменьшить частоту колебаний тоже сложно — качели имеют свой резонанс.

В феррорезонансных стабилизаторах происходят электромагнитные колебания в колебательном контуре емкости и индуктивности.

Стабилизаторы инверторного типа

Стабилизаторы напряжения инверторного типа преобразуют переменное напряжение в постоянное и накапливают энергию, заряжая промежуточные емкости. Далее с помощью электронного генератора преобразуют постоянное напряжение опять в переменное, но уже с устойчивыми характеристиками.

Данные устройства успешно применяют для обеспечения  работы медицинского и спортивного  оборудования.

2. стабилизаторы, корректирующие напряжение, добавляя дополнительный потенциал, приводящий величину напряжения к номинальному значению.

Ферромагнитные стабилизаторы

Ферромагнитные  стабилизаторы используют свойство магнитного сердечника (магнитопровода трансформатора) насыщаться. Увеличивая напряжение на входе трансформатора, мы получаем увеличение напряжения на выходе, но до определенного уровня. При определенном напряжении сердечник насыщается, и дальнейшее повышение напряжения на входе уже не влияет на выходное напряжение, точнее говоря, влияет очень слабо. Трансформатор как бы тормозит рост напряжения. Именно в таком режиме работы трансформатор используют как стабилизатор. Из-за своей простоты устройства популярны в быту для стабилизации напряжения отдельных устройств: холодильников, телевизоров и т. д.

Электромеханические стабилизаторы напряжения

Электромеханические стабилизаторы регулируют напряжение передвижением токосъемника по специальному трансформатору, подключая тем самым  определенную обмотку. Работой механического  устройства управляет процессор, замеряя  напряжение и давая команды на смену позиции токосъемника.Стабилизаторы успешно используются в жилых домах и на производствах, где приветствуется плавная регулировка и устойчивость к помехам.

Электронные стабилизаторы напряжения

Электронные стабилизаторы  регулируют напряжение, переключая обмотки специального трансформатора посредством электронных ключей. Ключи управляются процессором по специальной программе.

В настоящее  время существует два типа электронных  стабилизаторов напряжения: с полупроводниковыми и релейными ключами.

Стабилизаторы имеют большое быстродействие, поэтому  применяются в комплексе с  дорогостоящим оборудованием, требующем  защиты от всех аномалий сети. Их также  используют в жилых домах и  на производствах. 

Целью данного курсового проекта является: выбор схемы стабилизатора напряжения, проектирование стабилизатора напряжения по заданным параметрам, а также научится решать инженерные задачи в области бесконтактных электрических аппаратов, закрепление теоретических 

ВЫБОР И  ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

СТАБИЛИЗАТОРА 

     В настоящее время в качестве регулирующих органов стабилизаторов с разделением  регулируемой и нерегулируемой мощностей  широкое распространение получили транзисторные ключи. Схемные решения  стабилизаторов, предлагаемые в [1] , реализующие  однополярную реверсивную модуляцию с преобразованием энергии на повышенной частоте, по своим техническим параметрам, таким как быстродействие, влияние на питающую сеть, искажения выходного напряжения и потребляемого тока - представляются оптимальными. Кроме того, преобразование осуществляется на повышенной частоте, что позволяет значительно уменьшить массогабаритные показатели преобразовательного трансформатора и выходного фильтра. Однако регулирующий орган выполнен на восьми униполярных ключах, из которых четыре ключа рассчитаны на номинальный ток нагрузки стабилизатора. Представленным в [I] схемам присуща сложность алгоритма и системы управления

Рисунок 1. Схема стабилизатора с однополярной нереверсивной модуляцией и преобразованием энергии на сетевой частоте. TV1 

     В ряде случаев, когда стабилизатор является стационарным устройством, задача снижения массогабаритных показателей не является первостепенной. Важной задачей  в этом случае является получение  низкой стоимости, высоких КПД и  надежности. Это может быть получено путем отказа от преобразования энергии на повышенной частоте в пользу преобразования на частоте сети.

     Предлагаемая  к рассмотрению схема с однополярной нереверсивной модуляцией и преобразованием  энергии на сетевой частоте представлена на рис.1. Данная схема обеспечивает регулирование напряжения только вверх. Диаграмма выходного напряжения дана на рис.2.

Рисунок 2. Диаграмма выходного напряжения 

      Для получения регулирования вниз необходимо изменить схему подключения одной  из обмоток трансформатора с расщепленной первичной обмоткой позволяет сделать переход к двухполярной реверсивной модуляции (Рис.3)

Рисунок 3. Схема стабилизатора с двухполярной реверсивной модуляцией 

      Схема транзисторного ключа, обеспечивающего  двухстороннее протекание тока рассматриваемого стабилизатора, представлена на рис. 4 

Рисунок 4.Схема транзисторного ключа

     Ключ  выполнен по диодно-транзисторной схеме  с включением биполярного транзистора  в диагональ выпрямительного  моста (VD1-VD4). Ключ характеризуется падением напряжения в открытом состоянии, равном сумме падений напряжения на двух диодах выпрямителя и переходе транзистора, [2]. Силовой ключ снабжен защитными RCD-цепями, которые ограничивают перенапряжения, возникающие при коммутации, а также обеспечивают снижение динамических потерь в транзисторе. При запирании транзистора происходит заряд конденсатора С1, резистор R1 -зашунтирован диодом VD5. На последующем цикле работы, при отпирании транзистора происходит разряд конденсатора по цепи: Cl, R1, VT1, R2, Резистор R2 обеспечивает ограничение броска тока заряда конденсатора, имеющим место при включении второго ключа, работающего в противофазе с первым.

     Для определения области практического  применения устройства представляет интерес  вопрос степени искажения выходного напряжения. Для этого необходимо провести расчет коэффициента гармоник выходного напряжения схемы с вольтодобавочным трансформатором с многотактной коммутацией, реализующей однополярную нереверсивную модуляцию (Рис. 4).

     При значительной мощности (выше двух - трех киловатт) нагрузки применяют стабилизаторы с тиристорными ключами.

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

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.