3 Магнитные параметрические стабилизаторы напряжения

В общем случае стабилизатор представляет устройство, обеспечивающее поддержание выходной величины на определенном постоянном заранее заданном уровне при изменении входной величины в достаточно широких пределах.

Простейшая схема такого устройства показана на рисунке 4. Она состоит из линейного дросселя - L_дл и нелинейного дросселя - L_дн. Рассмотрим зависимость выходного напряжения от входного.

Рисунок 4

Начиная с некоторого действующего значения входного синусоидального напряжения U_вх0, сердечник нелинейного дросселя насыщается, поэтому его индуктивное сопротивление на соответствующем интервале резко уменьшается. При этом U_вх перераспределяется между обоими дросселями так, что большая часть входного напряжения падает на дросселе с линейной индуктивностью. В результате при U_вх > U_вх0 выходное напряжение U_вых изменяется значительно меньше, чем входное U_вх.

К недостаткам такого стабилизатора относятся низкий КПД (< 60%), недостаточный коэффициент стабилизации, значительная зависимость его от нагрузки, а также резкое искажение формы кривой напряжения на нагрузке.

Принцип действия магнитного параметрического стабилизатора хорошо иллюстрируют результаты его моделирования с помощью программы MICRO – CAP, представленные на рисунке 5.

Рисунок 5

4 Феррорезонансные ячейки

Чаще вместо магнитных параметрических стабилизаторов используют феррорезонансные стабилизаторы. В этих стабилизаторах в качестве нелинейного элемента использован не просто нелинейный дроссель, а феррорезонансный контур, состоящий из нелинейного дросселя и конденсатора.

Типичные феррорезонансные контура, в которых используется резонанс напряжений и токов, представлены на рисунке 6.

Рисунок 6

Следует отметить, что зависимость индуктивности дросселя от величины протекающего через него тока, придает такому устройству особые свойства, которые не наблюдаются у обычных линейных цепей с постоянными параметрами.

Рисунок 7

На рисунке 7 показаны зависимости напряжения на конденсаторе U_С и на зажимах дросселя U_L от величины тока, протекающего в цепи, т.е. вольтамперной характеристики линейного конденсатора и нелинейного дросселя для схемы на рисунке 6,а.

Эти напряжения сдвинуты по фазе на 180º. Если пренебречь активным сопротивлением цепи и высшими гармониками, то напряжение U_Р, приложенное к цепи, равно разности U_L – U_С (штрих-пунктирная линия). Точка, где U_L = U_С, соответствует состоянию резонанса, при котором цепь имеет бесконечно малое сопротивление для переменного тока. При дальнейшем увеличении тока напряжение на конденсаторе становится больше напряжения на дросселе. Отметим, что для наглядности характеристики U_р =ƒ(I), U_L – U_С нарисованы лишь в первом квадранте координатной плоскости.

В действительности, из-за наличия активного сопротивления R в цепи (прямая U_R), напряжение U_Р не обращается в нуль при резонансе, и результирующая вольтамперная характеристика рассматриваемой цепи имеет вид пунктирной линии (рисунок 7).

Напряжение на последовательной ячейке (рисунок 6,а) будет равно

Точки результирующей вольтамперной характеристики цепи получаем следующим образом. Произвольно задаемся некоторым током I, определяем для него разность напряжений U_L – U_С и напряжение U_R. Результирующее напряжение рассчитываем по формуле, приведенной выше.

При сравнительно малом активном сопротивлении R на результирующей ВАХ цепи есть падающий участок, и сама она имеет N – образную форму. При постепенном повышении питающего напряжения ток сначала растет плавно до значения I₂, а затем небольшое повышение напряжения сопровождается скачкообразным нарастанием тока до значения I₄, затем он продолжает плавно увеличиваться. При уменьшении напряжения также наблюдается вначале плавное уменьшение тока до значения I₃ = I_P, а затем – скачком до величины I₁.

Т.е. рассматриваемое устройство обладает релейной характеристикой. N - образную характеристику полностью, включая падающий участок, можно получить при питании контура не от источника ЭДС, а от источника тока.

Временные диаграммы работы последовательной феррорезонансной ячейки могут быть получены путем ее моделирования с помощью программы MICRO – CAP. Они представлены на рисунке 8 (8,а – при отсутствии явления феррорезонанса; 8,б – при наличии явления феррорезонанса).

Рассмотренный способ построения вольтамперной характеристики схемы (рисунок 6,а) можно использовать и для построения ВАХ схемы (рисунок 6,б). Так как в этой схеме I = I_L + I_C и U_P = U_L = U_C (если пренебречь потерями в обмотке и сердечнике дросселя), то зависимость U_P = ƒ(I) определяется суммированием токов I_L и I_C при одинаковых значениях U = U_L = U_C (идеальная ВАХ – штрих-пунктирная линия).

С учетом R – реальная характеристика показана пунктиром. Особенностью полученной характеристики является то, что уже в области небольших токов напряжение U_P резонансного контура относительно мало зависит от I, в то время как для отдельного дросселя область малой зависимости U_L от I приходится на относительно большие токи.

ВАХ параллельной феррорезонансной ячейки представлена на рисунке 9.

Рисунок 8

Рисунок 9

Поэтому более выгодно использовать параллельный феррорезонансный контур, чем насыщающийся дроссель для стабилизации напряжения.

Отметим, что S – образную ВАХ параллельной ячейки можно снять полностью, подключив контур к источнику переменной ЭДС.

На рисунке 10 представлены результаты моделирования с помощью программы MICRO – CAP параллельной феррорезонансной ячейки: а) в области малых токов; б) – феррорезонанса; в) – в области больших токов.

Рисунок 10

Схема феррорезонансного стабилизатора напряжения приведена на рисунке 11.

Рисунок 11

В этой схеме для улучшения стабилизирующих свойств вместо обычного линейного дросселя используется ненасыщенный дроссель в автотрансформаторном включении Тл. Вторичное напряжение этого трансформатора действует встречно напряжению U_вых1, снимаемого с феррорезонансного контура.

Коэффициент трансформации выбирают таким, чтобы наклон линии U_фк (рисунок 12) был равен наклону U_вых, т.е. α₂ = α₁.

Характеристика U_фк = ƒ(U_вх), очевидно, будет подобной ВАХ параллельного контура, рассмотренного выше, т.к. входной ток стабилизатора растет вместе с входным напряжением U_вх.

Дополнительное введение компенсирующего напряжения U_тр резко повышает качество стабилизации, η феррорезонансных стабилизаторов – 70…80%, cosφ = 0,7…0,8.

Следует отметить, что рассмотренные магнитные стабилизаторы из-за потерь не позволяют получить на выходе схемы стабилизированное напряжение, равное номинальному значению входного напряжения.

Рисунок 12

Существенным недостатком феррорезонансных стабилизаторов является ярко выраженная несинусоидальная форма выходного напряжения. Для устранения высших гармоник в стабилизаторах применяют резонансные фильтры, включаемые параллельно нелинейному дросселю.

Одна из возможных схем стабилизатора с синусоидальным выходным напряжением показана на рисунке 13.

Рисунок 13

Практически синусоидальное напряжение получается при устранении третьей и пятой гармоник. Для построения фильтров здесь использована емкость конденсатора С феррорезонансного контура C – L_ДН, которая состоит из двух конденсаторов С₃ и С₅, для фильтрации третьей и пятой гармоник соответственно. Последовательно с конденсаторами С₃ и С₅ включены дроссели L_Л3 и L_Л5 с линейной характеристикой. Цепи L_Л3 - С₃ и L_Л5 – С₅ настроены в резонанс на третью и пятую гармоники. Стабилизатор с правильно настроенными фильтрами дает на выходе практически синусоидальное напряжение с содержанием гармоник не более 5%.

Общим недостатком феррорезонансных стабилизаторов является значительная чувствительность к изменению частоты питающей сети.

Одним из способов устранения этого недостатка является включение последовательно с нагрузкой резонансного контура C_К L_К с резонансом напряжений или токов (рисунок 14).

Рисунок 14

Параметры контура выбираются так, чтобы увеличение выходного напряжения, вызванное изменением частоты сети, компенсировалось бы увеличением сопротивления контура. Этот способ компенсации дает хорошие результаты при изменении частоты в пределах ± 5% от номинальной. Однако при этом теряется от 20 до 50% напряжения. Причем сопротивление нагрузки должно быть строго постоянным.