|
О ветряках---->
Статьи и небольшие публикации о ветряках и других источниках энергии.
Стабилизатор переменного напряжения.
А. ГОДИН.
Напряжение сети, особенно в сельской местности, нередко выходит за пределы, допустимые для питаемой аппаратуры, что приводит к ее аыходу из строя. Избежать столь неприятных последствий возможно с помощью стабилизатора, который поддерживает выходное напряжение в необходимых для нагрузки пределах, а если это невозможно — отключает ее.
Из-за нестабильности напряжения в сети в Подмосковье вышел из строя холодильник. Проверка напряжения а течение дня выявила его изменение от 150 до 250 В. Поэтому я занялся вопросом приобретения стабилизатора Знакомство с ценами на готовые изделия повергло в шок. Стал искать схемы в литературе и Интернете. Почти подходящий по параметрам стабилизатор с микроконтроллерным управлением описан в [1]. Но его выходная мощность недостаточна высока, переключение нагрузки зависит не только от амплитуды, но и от частоты напряжения сети.
Поэтому было решено создать собственную конструкцию стабилизатора. В предлагаемом устройстве не использован микроконтроллер, что делает его доступным для повторения более широкому кругу радиолюбителей. Нечувствительность к частоте напряжения сети позволяет его использовать в полевых условиях, когда источником электроэнергии может быть автономный дизель-генератор.
Основные технические характеристики
Входное напряжение, В...........................130...270
Выходное напряжение, В ........................205...230
Максимальная мощность нагрузки, кВт.....6
Время переключения (отключения) нагрузки, мс ....10
Схема стабилизатора показана на рис. 1.
Устройство содержит следующие узлы: блок питания на элементах Т1, VD1, DA1; узел задержки включения нагрузки на транзисторах VT1—VT3; выпрямитель для измерении амплитуды напряжения сети VD2 с делителем R13R14; компаратор напряжения DA2, DA3; логический контроллер на микросхемах DD1—DD5; эмиттерные повторители на транзисторах VT4—VT12 с токоограничительными резисторами R40 — R48; индикаторные светодиоды HL1—HL9, семь симисторных оптронов U1 -U7 и мощные симисторы VS1 — VS7. Напряжение сети подведено к соответствующему отводу обмотки автотрансформатора Т2 через автоматический выключатель-предохранитель QF1. Нагрузка подключена к автотрансформатору Т2 через открытый симистор (один из VS1—VS7).
После включения питания конденсатор С1 разряжен, транзистор VT1 закрыт, a VT2 открыт. Транзистор VT3 закрыт, а так как ток через излучающие диоды симисторных оптронов U1.1—U7.1 может протекать только через этот транзистор, то все симисторы закрыты, нагрузка отключена. Напряжение на конденсаторе С1 возрастает по мере его зарядки от источника питания через резистор R1. По окончании трехсекундного интервала задержки, необходимого для завершения переходных процессов, срабатывает триггер Шмитта на транзисторах VT1 и VT2, транзистор VT3 открывается и разрешает включение нагрузки.
Напряжение с движка подстроечного резистора R14, пропорциональное напряжению сети, поступает на неинвертирующие входы восьми компараторов (микросхемы DA2, DA3). На инвертирующие входы этих компараторов поступают постоянные образцовые напряжения с реэисторного делителя R15—R23. Сигналы с выходов компараторов обрабатывает контроллер на логических элементах ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (микросхемы DD1—DD5). На рис.1 выходы компараторов DA2.1 — DA2.4 и DA3.1— DA3.3 обозначены цифрами 1—7, а выходы контроллера — буквами А—Н.
Если напряжение сети меньше 130 В, на выходах всех компараторов и выходах контроллера присутствует низкий логический уровень. Транзистор VT4открыт, включен мигающий светодиод HL1. индицирующий чрезмерно низкое напряжение сети, при котором стабилизатор не может обеспечить питание нагрузки. Все остальные светодиоды погашены, симисторы закрыты, нагрузка отключена.
Если напряжение сети меньше 150 В, но больше 130 В, логический уровень сигналов на выходах 1 и А высокий, остальных — низкий. Транзистор VT5 открыт, включен светодиод HL2, оптосимистор U1.2 открыт, нагрузка соединена с верхним по схеме выводом обмотки автотрансформатора Т2 через открытый симистор VS1.
Если напряжение сети меньше 170 В, но больше 150 В, логический уровень сигналов на выходах 1, 2 и В высокий, остальных — низкий. Транзистор VT6 открыт, горит светодиод HL3, оптосимистор U2.2 открыт, нагрузка соединена со вторым сверху по схеме выводом обмотки автотрансформатора Т2 через открытый симистор VS2.
Остальные уровни напряжения сети, соответствующие переключению нагрузки на другой отвод обмотки автотрансформатора Т2: 190, 210, 230 и 250 В.
Для предотвращения многократного переключения нагрузки в случае, когда напряжение сети колеблется на пороговом уровне, введен гистерезис переключения компараторов с помощью положительной обратной связи через резисторы R32—R39. Чем больше сопротивление этих резисторов, тем меньше гистерезис.
Если напряжение сети больше 270 В, на выходах всех компараторов и выходе Н контроллера высокий логический уровень. На остальных выходах контроллера — низкий уровень. Транзистор VT12 открыт, включен мигающий светодиод HL9, индицирующий чрезмерно высокое напряжение сети, при котором стабилизатор не может обеспечить питание нагрузки. Все остальные светодиоды погашены, симисторы закрыты, нагрузка отключена.
Стабилизатор выдерживает неограниченное время аварийное повышение напряжения сети до 380 В. Надписи, индицируемые светодиодами, аналогичны описанным в [1].
Конструкция и детали.
Стабилизатор собран на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, чертеж которой показан на рис. 2. Светодиоды HL1—HL9 смонтированы так, чтобы при установке печатной платы в корпус они попали в соответствующие отверстия на передней панели устройства. В зависимости от конструкции корпуса возможен вариант монтажа светодиодов со стороны печатных проводников. Сопротивление токоограничительных резисторов R41—R47 выбрано так, чтобы через излучающие диоды симисторных оптронов U1.1—U7.1 протекал ток 15...16 мА. Необязательно использовать мигающие светодиоды HL1 и HL9, но их свечение должно быть хорошо заметно, поэтому их можно заменить светодиодами непрерывного излучения красного цвета повышенной яркости, такими как АЛ307КМ или L-1543SRC-E.
Зарубежный диодный мост DF005M (VD1, VD2) можно заменить отечественным КЦ407А или другим, рассчитанным на максимальное обратное напряжение не менее 50 В и максимальный прямой ток не менее 0,5 А.
Микросхему КР1158ЕН6А (DA1) можно заменить на КР1158ЕН6Б. Ее необходимо установить на теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности не менее 15 см2. Микросхему счетверенного компаратора LM339N (DА2, DA3) можно заменить отечественным аналогом К1401СА1. Микросхему КР1554ЛП5 (DD1—DD5) можно заменить зарубежной 74АС86РС.
Подстроенные резисторы R14, RI5 и R23 — проволочные мнотооборотные СП5-2 или СП5-3. Постоянные резисторы R16—R22 С2-23 с допуском не ниже 1 %, остальные могут быть любыми с допуском 5 %, имеющие мощность рассеяния не меньше указанной на схеме. Оксидные конденсаторы С1—С3, С5 могут быть любыми с номинальным напряжением не ниже указанного на схеме. Остальные конденсаторы С4, С6—С8 — любые пленочные или керамические.
Симисторные оптроны МОС3041 (U1 — U7) можно заменить на МОС3061. Импортные оптроны выбраны потому, что они содержат встроенные контроллеры перехода напряжения через нуль. Это необходимо для синхронизации выключения одного мощного симистора и включения другого, чтобы предотвратить замыкание обмоток автотрансформатора. Мощные симисторы VS1— VS7 также зарубежные (ВТА41-800В), так как отечественные той же мощности требуют слишком большого тока управления, который превышает предельно допустимый ток оптосимисторов (120 мА). Все симисторы VS1—VS7 установлены на одном теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности не менее 1600 см2.
Трансформатор Т1 — самодельный, с габаритной мощностью 3 Вт, имеющий площадь сечения магнитопровода 1,87 см2 Его сетевая обмотка I рассчитана на максимальное аварийное напряжение сети 380 В, содержит 8669 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,064 мм. Обмотки II и III содержат по 522 витка провода ПЭВ-2 диаметром 0,185 мм. При номинальном напряжении сети 220 В напряжение каждой выходной обмотки равно 12 В. Вместо самодельного трансформатора Т1 можно применить два трансформатора ТПК-2-2х12В, соединенных последовательно по способу, описанному в [2], как показано на рис. 3.
Автотрансформатор Т2 также самодельный, намотанный на тороидальном магнитопроводе, в качестве которого использован статор электродвигателя мощностью 10 кВт способом, описанным в [3]. Его обмотка содержит 280 витков провода ПЭВ-2 диаметром 4,2 мм. Такой диаметр необходим для того, чтобы автотрансформатор не нагревался в процессе длительной эксплуатации. Отводы сделаны от 150, 163, 180, 195, 217 и 245-го витка, считая от нижнего по схеме вывода. Участок обмотки, к которому подведено напряжение сети (отвод от 180-го витка), рассчитан на напряжение 380 В.
Если мощность нагрузки не превышает 3 кВт, автотрансформатор Т2 может быть намотан на статоре электродвигателя мощностью 4 кВт проводом ПЭВ-2 диаметром 2,8 мм. Число витков обмотки следует пропорционально увеличить в 1,2 раза. Ток срабатывания выключателя-предохранителя QF1 должен быть снижен до 16 А. Можно применить симисторы VS1-VS7 ВТА140-800, размещенные на теплоотводе площадью не менее 800 см2.
Внешний вид платы с деталями показан на фотографии (см. 1-ю с. обложки).
Налаживание осуществляют с помощью ЛАТРа и двух вольтметров. Необходимо установить пороги переключения нагрузки и убедиться в том, что выходное напряжение стабилизатора находится в допустимых пределах для питаемой аппаратуры. Отметим U1, U2, U3, U4, U5, U6, U7 — значения напряжения на движке подстроечнсго резистора R14, соответствующие напряжению сети 130, 150,170,190,210,230,250,270 В (пороги переключения и отключения нагрузки). Вместо подстроечных резисторов R15 и R23 временно монтируют постоянные резисторы сопротивлением 10кОм. Далее стабилизатор без автотрансформатора Т2 включают в сеть через ЛАТР На выходе ЛАТРа повышают напряжение до 250 В, затем движком подстроечнсго резистора R14 устанавливают напряжение U6, равное 3,5 В, измеряя его цифровым вольтметром. После этого понижают напряжение ЛАТРа до 130 В и измеряют напряжение U1. В устройстве автора оно равно 1,6 В.
Расчет приближенный, так как в нем не учтено влияние резисторов R32— R39, однако его точность достаточна для практического налаживания стабилизатора.
Далее устройство отключают от сети и с помощью цифрового омметра устанавливают сопротивление резисторов R15 и R23, равное вычисленным значениям, и монтируют их на плату вместо постоянных резисторов, упомянутых выше. Снова включают стабилизатор и отслеживают переключение светодиодов, плавно увеличивая напряжения ЛАТРа от минимального до максимального и обратно. Одновременное свечение двух и более светодиодов указывает на неисправность одной из микросхем DA2, DA3, DD1—DD5. Неисправная микросхема должна быть заменена, поэтому удобнее установить на плате не сами микросхемы, а панели для них.
Убедившись в исправности микросхем, подключают автотрансформатор Т2 и нагрузку — лампу накаливания мощностью 100...200 Вт. Снова измеряют пороги переключения и напряжения U1—U7. Для проверки правильности расчетов, меняя ЛАТРом входное напряжение на трансформаторе Т1, необходимо убедиться в мигании светодиода HL1 при напряжении ниже 130 В, последовательном включении светодиодов HL2—HL8 при пересечении порогов переключения, указанных выше, а также мигании HL9 при напряжении выше 270 В.
Если максимальное напряжение ЛАТРа меньше 270 В, устанавливают на его выходе 250 В, вычисляют напряжение U7 по формуле U7= U6+ дельтаU = 3,82 В. Перемещают движок R14 вверх, проверяют, что при напряжении U7 происходит отключение нагрузки, после чего возвращают движок R14 вниз, устанавливая прежнее значение U6, равное 3,5 В.
Завершить налаживание стабилизатора желательно его подключением к напряжению 380 В на несколько часов.
За время эксплуатации нескольких экземпляров стабилизаторов разной мощности (примерно полгода) сбоев и отказов в их работе не было.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коряков С. Стабилизатор сетевого напряжения с микроконтроллерам управлением. — Радио, 2002, № 8, с. 26—29.
2. Копвнев В. Защита трансформатора от повышенного напряжений сети. — Радио, 1997, № 2, с. 46.
3. Андреев В. Изготовление трансформаторов. — Рацио, 2002, № 7, с. 58.
|
