Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Часть выходного напряжения U_out снимаемая с потенциометра R2 сравнивается с опорным напряжением U_z на стабилитроне D1, разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя^[1]. Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения U_out подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается. 1) Напряжение Ube практически не зависит от величины тока, протекающего через р переход и для приборов на основе кремния приблизительно составляет 0,6 В. В расчётах схем на биполярных транзисторах чаще всего используют именно такое значение, реже 0,7 В. Это напряжение, необходимое для преодоления так называемого потенциального барьера р-перехода, существующего между областями эмиттера и базы;

2) Напряжение Uz практически не зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон и равно напряжению стабилизации стабилитрона.

Но выходное напряжение Uвых = Uz - Ube. То есть выходное напряжение Uout постоянно и не зависит от тока, протекающего по нагрузке. Можно сказать, что выходное напряжение не зависит от величины нагрузки RL. Изменения входного напряжения Uin, если оно несколько больше ожидаемого выходного напряжения Uout, также не приводят к изменениям выходного напряжения. Вариант объяснения работы этого стабилизатора, начинающийся с предположения об изменении выходного напряжения Uout с последующей компенсацией за счёт изменения тока, не даёт понимания откуда берётся первоначальное изменение Uout. На самом деле незначительные изменения Uout вызваны незначительными изменениями напряжений Ube = 0,6 В и Uz, вызванными изменениями протекающих через них токов. А причиной изменения токов является изменение величины нагрузки RL изменение входного напряжения Ui

Импульсный стабилизатор

Основная статья: Импульсный стабилизатор напряжения

В импульсном стабилизаторе ток от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель (обычно дроссель) короткими импульсами; при этом запасается энергия, которая затем высвобождается в нагрузку в виде электрической энергии, но уже с другим напряжением. Стабилизация осуществляется за счёт управления длительностью импульсов и пауз между ними — широтно-импульсной модуляции. Импульсный стабилизатор, по сравнению с линейным, обладает значительно более высоким КПД. Недостатком импульсного стабилизатора является наличие импульсных помех в выходном напряжении.

В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом (зависит от схемы стабилизатора):

• Понижающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность.

• Повышающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда выше входного и имеет ту же полярность.

• Повышающе-понижающий стабилизатор: выходное напряжение стабилизировано, может быть как выше, так и ниже входного и имеет ту же полярность. Такой стабилизатор применяется в случаях, когда входное напряжение незначительно отличается от требуемого и может изменяться, принимая значение как выше, так и ниже необходимого.

• Инвертирующий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение имеет обратную полярность относительно входного, абсолютное значение выходного напряжения может быть любым.

Стабилизаторы переменного напряжения

Основная статья: Стабилизаторы переменного напряжения

Феррорезонансные стабилизаторы

Во времена СССР получили широкое распространение бытовые феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Обычно через них подключали телевизоры. В телевизорах первых поколений применялись сетевые блоки питания с линейными стабилизаторами напряжения (а в некоторые цепи и вовсе питались нестабилизированным напряжением), которые не всегда справлялись с колебаниями напряжения сети, особенно в сельской местности, что требовало предварительной стабилизации напряжения. С появлением телевизоров 4УПИЦТ и УСЦТ, имевших импульсные блоки питания, необходимость в дополнительной стабилизации напряжения сети отпала.

Феррорезонансный стабилизатор состоит из двух дросселей: с ненасыщаемым сердечником (имеющим магнитный зазор) и насыщенным, а также конденсатора. Особенность ВАХ насыщенного дросселя в том, что напряжение на нём мало изменяется при изменении тока через него. Подбором параметров дросселей и конденсаторов можно обеспечить стабилизацию напряжения при изменении входного напряжения в достаточно широких пределах, но незначительное отклонение частоты питающей сети очень сильно влияло на характеристики стабилизатора.

Современные стабилизаторы

В настоящее время основными типами стабилизаторов являются:

• электродинамические сервоприводные (механические)

• статические (электронные переключаемые)

• компенсационные (электронные плавные)

Модели производятся как в однофазном (220/230 В), так и трёхфазном (380/400 В) исполнении, мощность их от нескольких сотен ватт до нескольких мегаватт. Трёхфазные модели выпускаются двух модификаций: с независимой регулировкой по каждой фазе или с регулировкой по среднефазному напряжению на входе стабилизатора.

Выпускаемые модели также различаются по допустимому диапазону изменения входного напряжения, который может быть, например, таким: ±15%, ±20%, ±25%, ±30%, -25%/+15%, -35%/+15% или -45%/+15%. Чем шире диапазон (особенно в отрицательную сторону), тем больше габариты стабилизатора и выше его стоимость при той же выходной мощности.

Важной характеристикой стабилизатора напряжения является его быстродействие, то есть чем выше быстродействие, тем быстрее стабилизатор отреагирует на изменения входного напряжения. Быстродействие это^{[источник не указан 734 дня]} промежуток времени (миллисекунды) за которое стабилизатор способен изменить напряжение на один вольт. У разного типа стабилизаторов разная скорость быстродействия, например у электродинамических быстродействие 12...18 мс/В, статические стабилизаторы обеспечат 2 мс/В, а вот у электронных, компенсационного типа этот параметр 0,75 мс/В.

Ещё одним важным параметром является точность стабилизации выходного напряжения. Согласно ГОСТ 13109-97 предельно допустимое отклонение напряжения питания ±10% от номинального. Точность современных стабилизаторов напряжения колеблется в диапазоне от 2% до 8%. Точности в 8% вполне хватает для обеспечения исправной работы абсолютного большинства бытовой и промышленной электротехники. Более жесткие требования (2-3%) обычно предъявляются для питания сложного оборудования (медицинское, высокотехнологичное и подобное). Важным потребительским параметром является способность сохранения заявленных параметров при перегрузках по мощности.

1. Метод асинхронного пуска. В настоящее время чаще всего применяют метод асинхронного пуска. При этом методе синхрон­ный двигатель пускают как асин­хронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполнен­ной по типу «беличья клетка». Чтобы увеличить сопротивление стержней, клетку изготовляют из латуни. При включении трехфаз­ной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнит­ное поле, которое, взаимодейст­вуя с током I_п в пусковой об­мотке (рис. 8.38, я), создает эле­ктромагнитные силы F и увлека­ет за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоян­ный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхрони­зирующий момент, который втя­гивает  ротор  в  синхронизм.

Рис. 8.38. Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя (а)   и   схемы   его   асинхронного пуска   (б,  в):1— обмотка возбуждения; 2 пус­ковая обмотка; 3— ротор; 4 об­мотка якоря: 5 — якорь возбужде­ния; 6 — «беличья клетка»; 7—коль­ца  и  щетки

П рименяют две основные схе­мы пуска синхронного двигателя. При схеме, изображенной на рис. 8.38,б, обмотку возбуждения сначала замыкают на гасящий резистор, сопротивление которо­го R_доб превышает в 8... 12 раз активное сопротивление R_в об­мотки возбуждения.   После  разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхрон­ной (при s 0,05), обмотку возбуждения отключают от гасящего резистора и подключают к источнику постоянного тока (возбудителю), вследствие чего ротор втягивается в синхронизм. Осуществить пуск двигателя с разомкну­той обмоткой возбуждения нельзя, так как во время разгона ротора при s>0 в ней вращающимся магнитным полем индуцируется электродвижущая сила E_в = 4,44f₂ w_вФ_m = 4,4f₁sw_вФ_m; где f₂⁼f\s — частота изменения тока в обмотке

 

Рис. 8.39.     Зависимость электро­магнитного момента от  скольже­ния  при  асинхронном   пуске син­хронного двигателя

 возбуждения; w_B — число вит­ков обмотки возбуждения; Ф_m — амплитуда магнитного вращающегося  поля.

В начальный момент пуска при s = 1 из-за большого числа витков обмотки возбуждения ЭДС Е_в может достигать весь­ма большого значения и вы­звать  пробой  изоляции.

При схеме, изображенной на рис. 8.38, в, обмотка воз­буждения постоянно подклю­чена к возбудителю, сопротив­ление которого по сравнению с сопротивлением R_B весьма мало, поэтому эту обмотку в режиме асинхронного пуска можно считать замкнутой накоротко. С уменьшением сколь­жения до s = 0,3...0,4 возбудитель возбуждается и в обмотку возбуждения подается постоянный ток, обеспечивающий при s 0,05  втягивание ротора  в синхронизм.

Различие пусковых схем обусловлено тем, что не во всех случаях может быть применена более простая схема с постоянно подключенной к возбудителю обмоткой воз­буждения (рис. 8.38, в), так как она имеет худшие пусковые характеристики, чем более сложная схема, приведенная на рис. 8.38,6. Главной причиной ухудшения пусковых характе­ристик являетя возникновение одноосного эффекта — влияние тока, индуцируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового  момента.

Одноосный эффект. При асинхронном пуске двигателя в обмотке возбуждения индуцируется ЭДС с частотой f₂ =f₁s и по обмотке проходит переменный ток, создающий пульси­рующее магнитное поле (обмотка возбуждения в этом случае является однофазной обмоткой переменного тока). Пульсирующее магнитное поле можно разложить на две составляющие: прямое и обратное вращающиеся магнитные поля ротора, которые характеризуются потоками Ф_пр и Ф_oбР-Частота вращения каждого из этих полей относительно ротора  n_p=±60f₂/p=±60f_lslp=±n_ls.

Прямое поле вращается синхронно с полем статора n_р.пр — n₁; образуемый этим полем с током статора электро­магнитный момент М_пр изменяется в зависимости от скольжения так же, как и в трехфазном асинхронном двигателе (рис. 8.39, кривая 2). Обратное поле ротора вращается относительно статора с частотой п_р.о6р = п₁ (1 — 2s).

При частотах вращения ротора n₂<0,5n_l, т. е. при s>0,5, обратное поле перемещается относительно статора в сторо­ну,  противоположную  направлению  вращения  ротора;  при

п₂ = 0,5п₁ это поле неподвижно относительно статора; при n₂>0,5 (т. е. при s<0,5) оно перемещается в ту же сторону, что  и  ротор.

В обмотке статора обратным полем индуцируется ЭДС с частотой f₁(1 —2л), для которого обмотка статора является короткозамкнутой. При этом по обмотке статора проходит соответствующий ток. Взаимодействуя с обратным полем ротора, этот ток создает электромагнитный момент М_обр. Так как направление момента зависит от направления вращения поля n_р.oбр относительно статора, то обратный момент является знакопеременным и изменение его направ­ления  происходит  при  s = 0,5  (рис. 8.39,  кривая  3).

Таким образом, ток, индуцируемый в обмотке возбужде­ния при пуске двигателя, создает электромагнитный момент, который при частоте вращения, меньшей 0,5n₁, является ускоряющим, а при большей частоте вращения — тормозя­щим. Особенно резко проявляется действие обратного поля при  n 0,5n₁.

Наличие пусковой обмотки на роторе существенно умень­шает обратное магнитное поле и создаваемый им момент. Однако этот момент, складываясь с асинхронным моментом пусковой обмотки (кривая 7), создает β кривой результи­рующего пускового момента провал при частоте вращения, равной половине синхронной (кривая 4). Этот провал тем больше, чем больше ток в обмотке возбуждения. Очевидно, что включение гасящего сопротивления в цепь обмотки возбуждения (см. рис. 8.38,б) на период пуска уменьшает ток в этой обмотке и улучшает форму кривой пускового момента.

Следует отметить, что если обмотку возбуждения при пуске не отключить от возбудителя, то по якорю возбудителя в период пуска проходит переменный ток, что может вызвать искрение щеток. Поэтому такую схему пуска применяют в случае небольшого нагрузочного момента — не более 50% от номинального, при сравнительно небольшой мощности  двигателя.