Стабилизаторы в цепи переменного тока

Требования, предъявляемые к стабилизаторам напряжения и, в частности, к допустимому отклонению напряжения электропитания потребителей промышленного и бытового назначения, определяются ГОСТ 13109-97 "Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения".

По принципу действия стабилизаторы переменного тока можно классифицировать следующим образом:

· ступенчатые корректоры напряжения (стабилизаторы со ступенчатым регулированием);

· феррорезонансные стабилизаторы;

· электромеханические стабилизаторы с электроприводом;

· стабилизаторы с подмагничиванием трансформатора;

· системы с двойным преобразованием энергии;

· высокочастотные транзисторные регуляторы (стабилизаторы с дискретным ВЧ регулированием).

1. Стабилизаторы напряжения со ступенчатым регулированием представляют наиболее широкий класс устройств, обеспечивающих поддержание выходного напряжения с определенной точностью. Принцип стабилизации основан на автоматической коммутации (переключении) секций (обмоток) автотрансформатора (или трансформатора) с помощью силовых ключей (реле, тиристоров, симисторов). В силу ряда достоинств, ступенчатые корректоры напряжения получили наибольшее распространение.

Достоинства:

· быстродействие;

· широкий диапазон входного напряжения;

· возможность работы при холостом ходе;

· отсутствие искажения формы выходного напряжения;

· высокое значение КПД.

Недостатки:

· ступенчатое изменение выходного напряжения, ограничивающее точность стабилизации.

2. Феррорезонансные стабилизаторы напряжения построены на основе использования феррорезонанса в нелинейном контуре трансформатор - конденсатор, который обеспечивает непрерывное регулирование выходного напряжения в определенных пределах изменения нагрузки. В настоящее время находят ограниченное применение из-за ряда недостатков.

Достоинства:

· высокое быстродействие;

· устойчивость к перегрузкам по напряжению и широкий диапазон температур;

· большой ресурс работы.

Недостатки:

· искажение формы входного напряжения;

· недопустимость работы в режимах холостого хода и при перегрузках;

· зависимость выходного напряжения от частоты питающей сети;

· низкое значение КПД.

3. Электромеханические стабилизаторы напряжения представляют собой следящую систему с использованием электродвигателя, автотрансформатора и системы управления двигателем. Такие стабилизаторы позволяют непрерывно и плавно регулировать выходное напряжение без искажения синусоидальной формы.

Достоинства:

· высокая точность регулирования;

· отсутствие помех;

· высокая перегрузочная способность;

· широкий диапазон регулирования.

Недостатки:

· низкое быстродействие;

· ограниченный срок службы при наличии требования по проведению периодических регламентных работ;

· наличие открытого скользящего электрического контакта, ограничивающее среду использования.

4. Стабилизаторы напряжения с подмагничиванием трансформатора основаны на компенсации изменения напряжения сети путем регулирования коэффициента трансформации за счет локального подмагничивания стержней автотрансформаторов со специально выполненным магнитопроводом и системой обмоток. Подмагничивание осуществляется с помощью тиристорного регулятора. Такие стабилизаторы характеризуются высокими перегрузочными способностями, но имеют ограниченный диапазон регулирования и существенный коэффициент искажения синусоидальной формы выходного напряжения по сравнению со ступенчатыми корректорами напряжения.

5. Стабилизаторы напряжения с двойным преобразованием энергии содержат выпрямитель и транзисторный инвертор с ШИМ управлением, обеспечивающий стабильное синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц. В настоящее время находятся в стадии промышленного освоения.

6. Стабилизаторы напряжения с высокочастотным транзисторным регулированием основаны на использовании быстродействующих силовых транзисторов, коммутируемых с высокой частотой на каждом периоде сетевого напряжения. Являются перспективным направлением в развитии стабилизаторов. В настоящее время находятся на стадии разработок, в промышленном производстве отсутствуют.

1. Стабилизаторы напряжения со ступенчатым регулированием

На рисунке изображена принципиальная схема тиристорного стабилизатора напряжения в цепи переменного тока с использованием пары встречно-параллельных тиристоров в первичной цепи трансформатора.

При высоких мощностях устройства используют шунтирующие диоды совместно с встречно-параллельными тиристорами, включенные в противоположном направлении. При этом возможно использование одной системы управления для отрицательной и положительной полуволны входного напряжения. Без шунтирующих диодов обязательно должны быть две разделенные системы управления для надежной работы схемы. Диоды обеспечивают непрерывное протекание тока в моменты перекоммутации и защищают ключи от обратного напряжения.

Временные зависимости для напряжений в схеме импульсного стабилизатора имеют вид:

Система управления формирует повторный импульс с небольшим интервалом для гарантированного включения тиристора. При сравнении напряжения обратной связи (Uос), снимаемого с нижнего плеча делителя R_¶2 , с пилообразным напряжением изменяется фаза подачи управляющего импульса в соответствии с полярностью напряжения сети (a1 для положительной полуволны напряжения, a2 - для отрицательной). Частота пилообразного напряжения должна совпадать с частотой питающей сети для обеспечения синхронной работы схемы. Закрывание тиристоров обеспечивается подачей обратного напряжения на анод за счет смены полярности напряжения сети. Усилитель мощности (УМ) обеспечивает гальваническую развязку цепей и гарантирует надежное открывание тиристора за счет достаточной мощности управляющего сигнала.