Расчет компенсационных стабилизаторов напряжения (стр. 1 из 4)

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 2

1. Обзор и анализ источников питания 3

2. Выбор и анализ структурной схемы 4

3. Разработка принципиальной электрической схемы 6

4. Расчет схемы электрической принципиальной 7

4.1 Исходные данные для расчета 7

4.2 Расчет схемы компенсационного стабилизатора 7

4.3 Расчет схемы защиты КСН от перегрузок 15

4.4 Разработка схемы КСН на базе ИМС 17

5. Анализ и оценка ошибок 20

6. Вывод 22

7. Список литературы 23

Приложение 1. Схема электрическая принципиальная

на базе дискретных элементов 24

Приложение 2. Схема электрическая принципиальная

на базе ИМС 26

Приложение 3. ВАХ транзистора КТ827 28

Приложение 4. ВАХ транзистора КТ603 29

Приложение 5. ВАХ транзистора КТ312 30

Приложение 6. Влияние разброса параметров

электронных компонентов 31

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день появляются все более сложные электронные системы, использующие в качестве элементной базы новейшие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы с высокой степенью интеграции.

Успешное развитие науки и техники в рамках жестокой конкуренции во многом обусловлено успехами электроники. Трудно себе представить какую-либо отрасль производства, в которой бы в той или иной степени не использовались электронные приборы или электронные устройства автоматики.

Неотъемлемой частью многих радиоэлектронных и электронных устройств являются стабилизаторы постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как высокостабильные источники питания, обеспечивающие необходимую надежность работы, в других — не только как источники питания, но и как источники эталонного (образцового) напряжения. Образцовое напряжение необходимо во многих системах авторегулирования и телеметрии, измерительных схемах, схемах преобразования непрерывных величин в дискретную форму, в схемах электрического моделирования.

Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности.

Полупроводниковые стабилизаторы могут также использоваться в замен аккумуляторных и сухих батарей в измерительных и поверочных лабораториях.

Наиболее характерной чертой дальнейшего научно-технического прогресса в нашей стране является переход к полностью автоматизированному производству на базе использования электронной техники.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Основным источником питания электронных устройств в настоящее время являются выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в ток одного направления, называемый выпрямленным. Постоянное напряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным причинам могут изменяться, что может нарушить нормальную работу различных устройств, питание которых осуществляется от выпрямительных устройств. Основным причинами нестабильности является изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки. Для обеспечения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающие автоматически и с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

Не смотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении (сглаживающих фильтров) нагрузки выпрямителя может изменяться. Это объясняется тем, что сглаживание пульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленного напряжения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки.

Существует два принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический и компенсационный.

Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения.

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины входного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.

2. ВЫБОР И АНАЛИЗ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Схемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения бывают последовательного и параллельного типов [1].

Рис. 2.1

Рис.2.2.

Различие приведенных схем состоит в следующем. В последовательных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе возрастает при увеличении напряжения на нагрузке, а ток приблизительно равен току нагрузки. В параллельных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе не зависит от входного напряжения, а ток находится в прямой зависимости от напряжения на нагрузке.

Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко. Для стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках обычно применяются стабилизаторы напряжения последовательного типа. Их недостатком является то, что при коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу будет приложено все входное напряжение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

Основными параметрами, характеризирующими стабилизатор, являются:

1. Коэффициент стабилизации, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора.

K_сти = DU_вх / U_вх : DU_вых / U_вых ,

где: U_вх и U_вых — номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора.

DU_вх и DU_вых — изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.

Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки ее параметров.

2. Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении.

R_вых = DU_вых / DI_вых , при U_вх = const.

3. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

h = U_вых ´ I_вых / U_вх ´ I_вх .

4. Дрейф (допустимая нестабильность) выходного напряжения. Временной и температурный дрейф характеризуется величиной относительного и абсолютного изменения выходного напряжения за определенный промежуток времени или в определенном интервале температур.

3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

В соответствии с выбранной структурной схемой (рис. 2.1) составляем приблизительную схему компенсационного стабилизатора напряжения. После проведения расчета, данная схема будет доработана. Только после полного расчета режимов работы и выбора элементов можно составить окончательный вариант схемы электрической принципиальной компенсационного стабилизатора напряжения.

Рис. 3.1.

Данная схема состоит из регулирующего элемента, источника опорного напряжения и усилителя обратной связи. Роль регулирующего элемента играет комплиментарный транзистор (состоит из 2^х транзисторов VT2 и VT3). Источник опорного напряжения –VD1R1,R2VT1. Усилитель обратной связи – R4VD2VT4,R5R6R7.

4. РАСЧЕТ СХЕМЫ ЕЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

4.1 Исходные данные для расчета

4.2 Расчет схемы компенсационного стабилизатора

Порядок расчетов приводится в соответствии с методикой приведенной в [2].

Согласно схеме (рис 3.1) находим наименьшее напряжение на выходе стабилизатора:

U _{вх min} = U_н + U_{кз min} = 15 + 3 = 18 B, (4.1)

где U_{кз min} – минимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT3.

Исходя из того, что VT3 предположительно кремневый, то U_{кз min} выбираем в пределе 3..5 В.

Учитывая нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора ±10%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

U _{вх сер} = U _{вх min} / 0.9 = 18 / 0.9 = 20 В , (4.2)

U _{вх max} = 1.1 ´ U _{вх сер} = 1.1 ´ 20 = 22 В . (4.3)

Определяем максимальное значение на регулирующем транзисторе

U _{к3 max} = U _{вх max} — U_н = 22 – 15 = 7 В . (4.4)

Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT3, равняется

Р₃ = U_{к3 max} ´ I_н = 7 ´ 5 = 35 Вт. (4.5)

Расчёт компенсационного стабилизатора напряжения

При проектировании источников питания электронной аппаратуры предъявляются высокие требования к стабильности питающего напряжения. Как медленные, так и быстрые колебания (нестабильности и пульсации) напряжения питания существенно изменяют режимы и параметры работы радиоэлектронных схем. Причинами нестабильности могут быть колебания напряжения и частоты питающей сети, изменения нагрузки, пульсации выпрямленного напряжения, колебания влажности окружающей среды. Например, для питания измерительных устройств, работающих с точностью 0,1%, требуется стабильность напряжения питания не хуже 0,01%.
Компенсационный стабилизатор

Различают компенсационные стабилизаторы напряжения непрерывного и импульсного действия. Стабилизаторы напряжения непрерывного действия представляют собой систему автоматического регулирования, в которой фактическое значение выходного напряжения сравнивается с заданным значением эталонного (опорного) напряжения. Возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается и должен воздействовать на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось вернуться к заданному уровню. В качестве источника опорного напряжения обычно используют параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки, представляющий собой цепочку, состоящую из резистора и стабилитрона. В зависимости от способа включения регулирующего элемента различают компенсационные стабилизаторы последовательного и параллельного типов.

Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа представлена на рис. В этой схеме регулирующий элемент РЭ включен последовательно с нагрузкой и играет роль управляемого балластного сопротивления. Схему, состоящую из регулирующего элемента и сопротивления нагрузки можно представить как делитель напряжения, в котором определённая часть входного напряжения «падает» на сопротивлении нагрузки, а всё остальное напряжение – на регулирующем элементе. При этом, и все изменения входного напряжения отражаются не на нагрузке, а на регулирующем элементе.

      Опорное стабилизированное напряжение формируется источником опорного напряжения ИОН. Схема сравнения СС сравнивает выходное напряжение Uн с опорным напряжением Uоп. Разностный сигнал рассогласования Uн — Uоп, формируемый схемой сравнения СС, поступает на вход усилителя постоянного тока У, усиливается и воздействует на регулирующий элемент РЭ.
      Если в нагрузке оказывается напряжение Uн большее, чем опорное Uоп – имеет место положительный сигнал рассогласования (Uн — Uоп) > 0, тогда внутреннее сопротивление РЭ возрастает и падение напряжения Uрэ на нем увеличивается. Так как регулирующий элемент и нагрузка включены последовательно, то при увеличении Uрэ выходное напряжение уменьшается.
      При уменьшении выходного напряжения Uн, отрицательном сигнале рассогласования (Uн — Uоп) , наоборот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нем уменьшаются, что приводит к возрастанию выходного напряжения Uн.
      Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа на транзисторах приведена на следующем рисунке. Для более простого понимания того, как работает схема, мы рассмотрим её работу поэлементно.
      Источник опорного напряжения выполнен на резисторе Rб и стабилитроне VD.
      Схема сравнения выполнена по принципу измерительного моста. Это – типовая измерительная схема сравнения, которая довольно часто применяется в различных схемах, поэтому актуальна не только в стабилизаторах напряжения.
      Рассмотрим измерительный мост более подробно. Для этого мы изобразим его отдельно от остальных элементов стабилизатора.
      Источник опорного напряжения Rб-VD и делитель напряжения R1-R2-R3 подключены к выходу стабилизатора параллельно. Переменный резистор R2 для наглядности поделен на схеме на две половины – два постоянных резистора R2/1 и R2/2. Если к средним точкам этих цепочек подключить вольтметр, то он будет реагировать на разность напряжений, между этими точками. А если использовать вольтметр со шкалой, у которой нуль находится посередине, тогда наглядно будет видно в какой средней точке напряжение выше, а в какой ниже. Основное состояние измерительного моста, которое используется в стабилизаторе напряжения, это — явление баланса моста, состояние, при котором значение напряжения в средних точках равно.
Предположим, что сопротивление резисторов R1 и R3 равны, а «ползунок» резистора R2 находится в среднем положении. Тогда сопротивления плеч R1+R2/1 и R2/2+R3 равны. Это означает, что на выводе «ползунка» резистора R2 будет ровно половина находящегося на клеммах напряжения. Предположим, что мы подали на клеммы ровно 9 вольт, тогда в средней точке резисторов будет 4,5 вольта (ровно половина). Источник опорного напряжения мы поставим на напряжение стабилизации 4,5 вольта – равное значению средней точки делителя на резисторах R1, R2, R3. Поэтому, по причине отсутствия разности потенциалов в средних точках стрелка вольтметра будет стоять на нуле.
Если мы увеличим напряжение до 10 вольт, то в средней точке делителя

R1+R2/1 и R2/2+R3 напряжение поднимется до 5 вольт, а на источнике опорного напряжения оно так и останется 4,5 вольта (стабилитрон не позволит увеличиться напряжению на своём кристале) и стрелка вольтметра отклонится влево на 0,5 вольта.
      Если наоборот, мы уменьшим напряжение до 8 вольт, то в средней точке делителя R1+R2/1 и R2/2+R3 напряжение уменьшится до 4 вольт, а на источнике опорного напряжения оно по-прежнему останется 4,5 вольта и теперь, стрелка вольтметра отклонится вправо на 0,5 вольта.
      А теперь вернёмся к схеме стабилизатора напряжения. В ней функцию вольтметра выполняет транзистор VT2, который в процессе работы схемы стабилизации используется в «рабочем» усилительном режиме (полуоткрытом состоянии). Роль регулирующего элемента в этой схеме стабилизатора играет транзистор VT1. Его задача – в случае нарушения баланса измерительного моста, определяемого базо-эмиттерным переходом, восстановить этот баланс путём изменения сопротивления перехода эмиттер-коллектор управляющего элемента, и как следствие — уменьшение, или увеличение выходного напряжения.
     При увеличении Uвх, выходное напряжение возрастает по абсолютному значению, создавая отрицательный сигнал рассогласования напряжения Uэ62 на входе усилителя постоянного тока, выполненного на транзисторе VT2. Транзистор, подключенный к средним точкам измерительного моста «приоткрывается». Ток коллектора транзистора VT2 возрастает, а потенциал коллектора VT2 становится более положительным относительно потенциала земли. Напряжение эмиттер-база транзистора VT1 уменьшается, что приводит к возрастанию внутреннего сопротивления транзистора VT1 и падению напряжения на нем. Выходное напряжение при этом уменьшается, стремясь к прежнему значению.
      При уменьшении входного напряжения Uвх наоборот, транзистор VT2 «призакрывается», что приводит к увеличению напряжения база-эмиттер транзистора VT1, в результате чего сопротивление транзистора уменьшается и выходное напряжение повышается, стремясь к номинальному напряжению стабилизации.
      Обратите внимание, что на схемах изображалась «точка» подключения к какому то источнику напряжения Е0. Для повышения коэффициента стабилизации схемы резистор Rк, определяющий базовый ток регулирующего транзистора VT1, подключается к стабильному источнику напряжения – Е0. Если Е0 не стабилен, то его колебания передаются через резистор Rк на базу регулирующего транзистора VT1 и ухудшают коэффициент стабилизации схемы. Довольно часто встречаются радиолюбительские схемы стабилизаторов, в которых резистор Rк подключен напрямую ко входному контакту -Uвх. В результате этого, стабилизатор работает в качестве автоматического регулятора «среднего» выходного напряжения, и абсолютно не подавляет никакие пульсации сетевого напряжения.
Лучшим источником стабильного напряжения является гальванический элемент, но его использование в большинстве случаев – не оправдывает себя. В сложных устройствах с несколькими источниками стабилизированного питания часто для целей стабилизированного смещения одного более мощного стабилизатора используют выходное напряжение другого стабилизатора, но с меньшей нагрузкой.
      Наиболее простой способ – использовать дополнительный источник стабильного опорного напряжения, как показано на рисунке. Для исключения кратковременных скачков напряжения стабилизации, которые могут быть вызваны бросками входного напряжения, или сопротивления нагрузки, параллельно стабилитрону добавлен конденсатор

С. Практически постоянно в радиолюбительской практике упускается важность этого источника опорного напряжения. В простейшем случае, как я писал, резистор Rк подключается напрямую к -Uвх, без всяких стабилитронов. Выбирать Вам – допускать пульсацию, или нет. Я думаю три дополнительных радиоэлемента – резистор, стабилитрон и конденсатор в этой схеме стабилизатора не помешают.

Расчёт стабилизатора постоянного напряжения компенсационного типа и практические советы конструкторам

      Как и ранее, я не пишу сложные формулы радиолюбительских расчётов, которые отбивают желание вообще становиться радиолюбителями. Они мной применяются только тогда, когда их использование действительно необходимо. Кроме того, если Вы научитесь понимать их физический смысл, то Вы самостоятельно сможете применять их на практике для расчётов цепей.

      Расчёт стабилизированного блока питания мы будем проводить с использованием конкретной схемы, которую мы сначала изобразим, соблюдая правила построения схем, а потом рассчитаем на основе предъявляемых к ней требований.
      1. Прежде всего, обратите внимание, на то, что большинство блоков питания имеет минус на массе, поэтому мы так же выполняя условие – «минус на массе» изменим полярности диодов и конденсаторов, а кроме того — тип проводимости транзисторов с p-n-p на n-p-n.
      >2. Для повышения коэффициента стабилизации компенсационного стабилизатора в качестве регулирующего элемента мы будем использовать составной транзистор. Использование составного транзистора увеличивает коэффициент стабилизации на величину коэффициента усиления по току дополнительного транзистора, и на порядок увеличивает нагрузочную способность стабилизатора напряжения. Поэтому (см. схему) к ранее изученному стабилизатору, мы добавим этот транзистор VT3. Считаем, что каждый добавленный таким образом транзистор увеличивает нагрузочную способность в 10…20 раз, но не забываем, что основная часть мощности на него и «приложится». Поэтому чем мощнее транзистор, тем лучше.
      3. Ток через делитель Iдел состоящий из R1,R2,R3 выбирают обычно на порядок меньше (в 10 раз), чем ток, протекающий по цепи Rб, VD1. Увеличение или уменьшение тока делителя за счет снижения, или повышения сопротивлений R1,R2,R3 нецелесообразно, так как приводит к существенному уменьшению КПД, или чувствительности схемы к изменению выходного напряжения и его пульсациям.
      4. Резистор R2 предназначен для регулировки стабилизированного напряжения в небольших пределах. Пределы регулировок выходного напряжения такого стабилизатора ограничены параметрами стабилитрона – минимальным и максимальным током стабилизации. Как это выглядит практически, я затрону в процессе расчётов.
      5. Напряжение стабилизации дополнительного источника опорного напряжения, используемого для смещения транзистора регулирующего элемента должно не менее, чем в 1,5 раза превышать значение выходного напряжения стабилизатора. Иначе силовыми транзисторами VT2 и VT3 «нечем будет управлять» — напряжение на эмиттерах будет превышать базовое, и ни о какой стабилизации речи не будет.
      6. Предыдущее условие накладывает ограничения на нагрузочные способности стабилизатора потому, что разница входного и выходного напряжения стабилизатора помноженная на выходной ток, будет «падать» в виде рассеиваемой мощности на силовых транзисторах. Поэтому необходимо выбирать транзисторы способные выдерживать такую мощность – повторяется правило — чем мощнее транзистор, тем лучше. Но чем мощнее транзистор, тем меньше у него коэффициент передачи.

Расчёт

      Исходные данные (допустим, к разрабатываемому ИП предъявлены такие требования):
   — среднее выходное напряжение стабилизатора – 12 вольт;
   — максимальный ток нагрузки стабилизатора – 2 ампера;
   — используется трансформатор достаточной мощности, с выходным напряжением 25 вольт.

      При расчётах сложных схем, обычно идут «с конца к началу», поэтому, предлагаю начать с расчёта схем опорного напряжения и сравнения.

      1. Выберем стабилитрон измерительного моста Стабилитрон VD1 выбирается со значением напряжения стабилизации, равном половине выходного напряжения стабилизатора:

12в / 2 = 6 вольт.
      При этом условии обеспечивается наилучшая стабилизация. Но стабилитрон на такое напряжение в рознице отсутствует, поэтому выбираем стабилитрон, максимально близкий по напряжению стабилизации – КС156А, у которого Uст = 5,6 вольт, Iст = 10 мА.

      2. Найдём резистор Rб:
      На резисторе падает напряжение:

URб = Uвых – Uст = 12в – 5,6в = 6,4в
      Зная падение напряжения и ток стабилизации, по закону Ома определяем сопротивление резистора: Rб = URб / = 6,4в/0,01А = 640 Ом
      Ближайшее значение сопротивления резистора по номинальному ряду — 620 Ом.
      Мощность резистора находим из условия РRб = URб * Iст * 2 = 6,4в * 0,01А * 2 = 0,128 Вт
      Если кто не знает, что в формуле обозначает цифра 2, поясню, это коэффициент запаса по мощности (чтобы резистор не грелся). Ближайшее наибольшее значение мощности резистора по номинальному ряду – 0,125 Вт.
      Таким образом, параметры Rб – 620 Ом на 0,125 Вт.

      3. Определим возможные значения выходного напряжения стабилизатора, при которых стабилизация происходит.
      Они ограничены предельными токами стабилитрона, стоящего в мостовой измерительной цепи.
   а) Определим минимальное (регулируемое) напряжение стабилизации: По справочнику минимальный ток стабилизации КС156А = 3 мА, при этом токе значение выходного напряжения стабилизатора составит:

Uвых.min = Uст + (Iст.min * Rб) = 5,6 в + (0,003 * 620) = 7,46 вольт
   б) Определим максимальное (регулируемое) напряжение стабилизации:
      По справочнику максимальный предельный ток стабилизации КС156А = 55 мА. Это большой ток, при котором стабилитрон будет греться и нужны дополнительные меры защиты, поэтому ограничимся значением, в 2 раза превышающем номинальное — 20 мА. При этом токе значение выходного напряжения стабилизатора составит: Uвых.max = Uст + (Iст.max * Rб) = 5,6 в + (0,02 * 620) = 18 вольт
      Поскольку мощность прикладываемая к резистору возросла, для того, чтобы резистор Rб не сгорел от большой прикладываемой мощности, его мощность следует увеличить до значения: РRб = URб * Iст * 2 = 12,4 в * 0,02 А * 2 = 0,5 Вт
      Если Вы хотите, чтобы Ваш стабилизатор выдавал 18 вольт, то мощность резистора необходимо увеличить, но если Вы делаете стабилизатор на фиксированное напряжение (в данном случае 12 вольт), то этого можно не делать, удовлетворившись расчётом, приведённым в пункте 2.

      4. Рассчитаем делитель R1,R2,R3:
      Нам известно, что на стабилитроне КС156А падает – 5,6 вольта. А ещё мы знаем, что в режиме стабилизации, транзистор VT1 находится в «рабочей точке», это означает, что на его переходе база-эмиттер «падает» напряжение 0,65 вольта. А это в свою очередь означает, что на базе должно быть всегда 5,6 + 0,65 = 6,25 вольта относительно корпуса стабилизатора. База соединена с «ползунком» среднего регулировочного резистора, значит, это напряжение 6,25 вольта всегда присутствует на его «ползунке».
      Исходя из этого, можно составить, систему уравнений с тремя неизвестными, но это Вас только запутает, поэтому мы пойдем по более простому, но практичному пути.
      При максимальном напряжении стабилизации Uвых.max = 18 вольт, ползунок находится в нижнем по схеме положении, ток стабилизации Iст.max = 0,02 A, а ток делителя R1,R2,R3 в 10 раз меньше: Iцепи = 0,002 А , следовательно:

R3 = 6,25 / Iцепи = 6,25 / 0,002 = 3,125 кОм;
R1 + R2 = (Uвых.max — UR3) / Iцепи = 11,75 / 0,002 = 5,875 кОм.
      Суммарное сопротивление R1 + R2 + R3 = 5 875 + 3 125 = 9 кОм
      При минимальном напряжении стабилизации Uвых.min = 7,46 вольта, ток делителя будет: Iцепи = Uвых.min / (R1 + R2 + R3) = 7,46 / 9000 = 0,00083 А
      найдем значение R1 = (Uвых.min – 6,25) / Iцепи = (7,46 – 6,25) / 0,00083 = 1,46 кОм,
      отсюда значение R2 = 5,88 – 1,46 = 4,42 Ом,
      округлим значения резисторов до значений номинального ряда: R1 = 1,5 кОм, R2 = 4,3 кОм (переменный), R3 = 3 кОм

      5. Рассчитаем второй источник опорного напряжения и смещения VT2.
      В качестве стабилитрона выбираем Д816А, у которого Uст = 22 вольта, Iст = 10 мА.
      Найдём Rсм.
      Выходное напряжение трансформатора после выпрямления и сглаживания фильтром = 25 вольт, тогда Rсм = (Uтр. — Uст) / Iст = 25 – 22 / 0,01А = 300 Ом.
      Мощность резистора РRсм = URсм / Iст = 3 *0,01 = 0,03 Вт, ближайшая из номинального ряда — 0,125 Вт
      Для стабильной работы цепи опорного напряжения Rсм VD2, необходимо, чтобы Rк не оказывал на эту цепь шунтирующего действия. Поэтому ток Rк должен быть не менее, чем в 2 раза меньше тока стабилитрона. Кроме того, на нём падает разность между входным и выходным напряжением: URк = Uтр. — Uвых. = 25 – 12 = 13 вольт,

   отсюда: Rк = URк / (Iст/2) = 13 / 0,005 = 2,7 кОм.

      Мощность РRк = URк * Iст / 2 = 13 *0,005 = 0,0325 Вт, ближайший 0,125 Вт.

      6. Наконец дело дошло до транзисторов.
      В качестве VT1 подойдёт транзистор КТ315Г. Он удовлетворяет требованиям:
   — достаточно высокий коэффициент усиления (передачи) h31Э = 50…350;
   — допустимое напряжение коллектор-эмиттер – 35 вольт.
      В качестве VT2 подойдёт транзистор КТ815 с любым буквенным индексом. Коэффициент передачи h31Э = 40 – 70 , обеспечивает усиление тока резистора Rк с 5 мА до 250 мА;
      В качестве VT3 попробуем взять не то, что надо искать, а то, что есть — например КТ809А. Коэффициент передачи h31Э = 15…100 , что обеспечивает усиление тока с 250 мА до 3,7 А, но максимальный ток коллектора – 3 А это по справочнику – предел, нет «запаса прочности», поэтому ставим два транзистора в параллель. При выходном напряжении = 12 вольт и токе 2 ампера, на них должно падать 13 вольт, таким образом, общая мощность рассеивания транзисторов: РVT3 = UVT3 * I VT3 = 2 * 13 = 26 Вт.
      Это вполне приемлемое значение. Для выравнивания мощностей на транзисторах придётся использовать два резистора в эмитерных цепях выходных транзисторов. 0,05…1 Ом с мощностью по 2 Вт.

      7. Остался один резистор Rэ. Rэ = 0,65 / 2 * 50 = 16 Ом,
      где 0,65 – падение на переходе база-эмиттер, 2 – номинальный ток нагрузки = 2 ампер), 50 — усреднённое значение коэффициента передачи транзистора.

Итак, рисуем схему нашего стабилизатора Дополнения к статье
      1. При выборе стабилитронов возможно последовательное их соединение, например два КС156А (по 5,6 вольта) можно соединить последовательно для получения стабилитрона на напряжение стабилизации 11,2 вольта;
      2. Для возможности регулировки выходного напряжения в более широких пределах цепочку источника опорного напряжения R3, VD6 (см. схему) подключают не к выходу, а на вход стабилизатора с применением цепей сглаживания (по аналогии с R1, VD5 и С2). Естественно, необходимо пересчитать резистор R3. В результате этого, входное напряжение ИОН не зависит от выходного напряжения, поэтому ток стабилизации номинальный и постоянен. Другой вариант расширения диапазона стабилизируемых напряжений — использование в качестве одного резистора Rб – галентного переключателя с несколькими резисторами;
      3. Для повышения нагрузочных свойств стабилизатора, и как следствие повышения надёжности рекомендую вместо двух КТ809А поставить один составной КТ827А без резисторов R4 – R6.
      4. Никогда не брезгуйте рассчитать мощность резисторов, иначе это может Вам выйти кучей сгоревших дорогих элементов;
      5. В приведённой схеме стабилизатора имеется защита по первичной обмотке трансформатора, а во вторичных цепях защита отсутствует. В простейшем случае поставьте на выходе стабилизатора двух-трехватный предохранитель, но лучше сделать более интеллектуальную схему защиты

Расчет компенсационных стабилизаторов напряжения (стр. 3 из 4)

коэффициент передачи напряжения транзистора

m_ск = m₂m₃ / (m₂ + m₃) = 45.4´4.2 / (45.4 + 4.2)=3.84 ; (4.30)

выходное сопротивление транзистора

r_ск = m_ск h_{11Э ск} / h_21Э2min h_21Э3min = 0.1723 Ом. (4.31)

Рассчитываем входное сопротивление источника стабильного тока

R_TD­ = R1 ´ R2 / r _VD1 = 3900´360 / 15 = 57024 Ом. (4.32)

Рассчитываем параметры усилителя обратной связи:

сопротивление нагрузки усилителя

R_К = h_{11Э ск} R_TD / (h_{11Э ск} + R_TD) = 1947.49 Ом; (4.33)

коэффициент усиления напряжения усилителя

К_u = 0.7 h_21Э4min R_К / (h_11Э4 + h_21Э4min r _VD2) = 71.13 . (4.34)

Рассчитываем коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора напряжения, а также величину пульсаций на выходе

К_ст = m_скК_uU_н / U_вх = 3.845 ´ 71.13 ´ 15 / 22 = 186.4, (4.35)

DU_вих = DU_вх / m_скК_u = 4 / 3.845 ´ 71.13 = 12´10^-4, (4.36)

Рассчитываем коэффициент пульсаций

К_п = DU_вих ´ 100 / U_вх = 12´10^-4´ 100 / 15 = 8´10^-3%. (4.37)

Выходное сопротивление компенсационного стабилизатора будет

R_вых = r_ск / m_скК_u = 0.17 / 3.845 ´ 71.13 = 63´10^-5 Ом. (4.38)

Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:

К_ст = 186.4 > К_ст.зад = 100;

К_п = 8´10^-3% < К_п.зад = 10´10^-3%.

Найденные параметры удовлетворяют заданным условиям.

4.3 Расчет схемы защиты компенсационного стабилизатора от перегрузки.

Устройства защиты стабилизаторов напряжения от перегрузок можно разделить на встроенные, воздействующие на регулирующий элемент стабилизатора, и автономные, содержащие отдельный ключевой элемент. Обычно к стабилизаторам с защитой от короткого замыкания выходной цепи предъявляется требование автоматического возврата в рабочий режим после устранения перегрузки.

Разрабатываем схему защиты компенсационного стабилизатора напряжения от перегрузки (рис 4.1).

Рис. 4.1

Схема защиты компенсационного стабилизатора от перегрузки реализована на элементах VT5 и R8.

Для расчета принимаем ток срабатывания защиты равный 110% от I_н .

I_{н max} = 1.1 I_н = 1.1 ´ 5 = 5.5 А.

Рассчитываем сопротивление R8 в соответствии с методикой изложенной в [3]:

R8 = U_бе5 / I_{н max} = 0.7 / 5.5 = 0.127 Ом. (4.39)

Рассчитываем мощность проволочного резистора

Р_R8 = U_бе5 ´ I_{н max} = 0.7 ´ 5.5 = 3.85 Вт. (4.40)

Выбираем транзистор VT5 из условия I_к5 = I_б3 ;

U_{к5 max} =U_бэ3 + R8´I_{н max} = 0.7 + 0.127 ´ 5.5 =1.4 B; (4.41)

P₅ = U_{к5 max} ´ I_б3 = 1.4 ´ 6.7´10^-3 = 9.38 ´10^-3 Вт. (4.42)

По полученным значениям U_{к5 max} , I_к5 , Р₅ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

4.3 Разработка схемы компенсационного стабилизатора напряжения на базе ИМС.

Разработка схемы компенсационного стабилизатора напряжения на базе ИМС сводится к выбору стандартной серийно выпускаемой ИМС и расчета (если необходимо) навесных элементов.

Таблица 4.1

В качестве интегрального стабилизатора напряжения выбираем ИМС серии SD 1084. Составляем схему стабилизатора (рис. 4.2).

Рис. 4.2

Выбираем навесные элементы в соответствии и с методикой изложенной в [4].

Рабочее напряжение стабилитрона VD1 определяем из соотношения

U_VD1 = 0.9 U_вых = 0.9 ´ 15 = 13.5 В. (4.43)

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

стабилитрон 2С515А;

I _VD1 = 45´10^-3 А – средний ток стабилизации;

r _VD1 = 25 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Рассчитываем сопротивление резистора R1

R1 = 0.9U_вых / I _VD1= 0.9´15 / 45´10^-3 = 300 Ом. (4.44)

Р_R1 = 0.9U_вых´I _VD1= 0.9´15´45´10^-3 = 608´10^-3 Вт. (4.45)

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МТ-1,0 300 Ом ±5%.

Рассчитываем сопротивление делителя R2R3

R₂₃ = U_VD1 / ( 3´ I_п) = 13.5 / ( 3 ´ 5´10^-3) = 900 Ом, (4.46)

где I_п – ток потерь микросхемы, А (5´10^-3 А).

Рассчитываем сопротивление резисторов R2 и R3:

R2 = 2 ´ R₂₃ / 3 = 2´ 900 / 3 = 600 Ом, (4.47)

R3 = R₂₃ / 3 = 900 / 3 = 300 Ом, (4.48)

Р_R2 = (3´ I_п)²´ R2 = 600´225´10^-6 = 135´10^-3 Вт, (4.49)

Р_R3 = (3´ I_п)²´ R3 = 300´225´10^-6 = 67.5´10^-3 Вт. (4.50)

В соответствии с рядом Е24 выбираем резисторы типа МТ-0,25 600 Ом ±5% и СП5-16Т 300 Ом ±5% соответственно.

Конденсаторы С1 и С2 имеют емкости 100мкФ и 5мкФ соответственно. Более точный расчет емкости конденсаторов и их выбор производится в соответствии с данными про сопряженные со стабилизатором устройства.

5. АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ОШИБОК

Качество работы компенсационного стабилизатора напряжения во многом зависит от разброса параметров электронных компонентов, входящих в его состав. Во многом это связано с невозможностью изготовления компонентов с одинаковыми параметрами. Сильное влияние на разброс параметров оказывает колебания температуры окружающей среды и температуры мощности рассеивания этих элементов. С целью уменьшения колебаний параметров от температуры мощности рассеивания для элементов высокой мощности устанавливаются радиаторы.

Расчет компенсационных стабилизаторов напряжения

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение2

1. Обзор и анализ источников питания3

2. Выбор и анализ структурной схемы4

3. Разработка принципиальной электрической схемы6

4. Расчет схемы электрической принципиальной7

4.1 Исходные данные для расчета7

4.2 Расчет схемы компенсационного стабилизатора7

4.3 Расчет схемы защиты КСН от перегрузок15

4.4 Разработка схемы КСН на базе ИМС17

5. Анализ и оценка ошибок20

6. Вывод22

7. Список литературы23

Приложение 1. Схема электрическая принципиальная

на базе дискретных элементов 24

Приложение 2. Схема электрическая принципиальная

на базе ИМС26

Приложение 3. ВАХ транзистора КТ82728

Приложение 4. ВАХ транзистора КТ60329

Приложение 5. ВАХ транзистора КТ31230

Приложение 6. Влияние разброса параметров

электронных компонентов 31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

На сегодняшний день появляются все более сложные электронные системы, использующие в качестве элементной базы новейшие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы с высокой степенью интеграции.

Успешное развитие науки и техники в рамках жестокой конкуренции во многом обусловлено успехами электроники. Трудно себе представить какую-либо отрасль производства, в которой бы в той или иной степени не использовались электронные приборы или электронные устройства автоматики.

Неотъемлемой частью многих радиоэлектронных и электронных устройств являются стабилизаторы постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как высокостабильные источники питания, обеспечивающие необходимую надежность работы, в других — не только как источники питания, но и как источники эталонного (образцового) напряжения. Образцовое напряжение необходимо во многих системах авторегулирования и телеметрии, измерительных схемах, схемах преобразования непрерывных величин в дискретную форму, в схемах электрического моделирования.

Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности.

Полупроводниковые стабилизаторы могут также использоваться в замен аккумуляторных и сухих батарей в измерительных и поверочных лабораториях.

Наиболее характерной чертой дальнейшего научно-технического прогресса в нашей стране является переход к полностью автоматизированному производству на базе использования электронной техники.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

 

Основным источником питания электронных устройств в настоящее время являются выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в ток одного направления, называемый выпрямленным. Постоянное напряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным причинам могут изменяться, что может нарушить нормальную работу различных устройств, питание которых осуществляется от выпрямительных устройств. Основным причинами нестабильности является изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки. Для обеспечения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающие автоматически и с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

Не смотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении (сглаживающих фильтров) нагрузки выпрямителя может изменяться. Это объясняется тем, что сглаживание пульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленного напряжения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки.

Существует два принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический и компенсационный.

Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения.

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины входного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.

 

2. ВЫБОР И АНАЛИЗ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

 

Схемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения бывают последовательного и параллельного типов [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.2.

 

Различие приведенных схем состоит в следующем. В последовательных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе возрастает при увеличении напряжения на нагрузке, а ток приблизительно равен току нагрузки. В параллельных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе не зависит от входного напряжения, а ток находится в прямой зависимости от напряжения на нагрузке.

Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко. Для стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках обычно применяются стабилизаторы напряжения последовательного типа. Их недостатком является то, что при коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу будет приложено все входное напряжение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

Основными параметрами, характеризирующими стабилизатор, являются:

1. Коэффициент стабилизации, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора.

Kсти = Uвх / Uвх : Uвых / Uвых ,

где: Uвх и Uвых — номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора.

Uвх и Uвых — изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.

Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки ее параметров.

2. Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении.

Rвых = Uвых / Iвых , при Uвх = const.

1. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

= Uвых Iвых / Uвх Iвх .

4. Дрейф (допустимая нестабильность) выходного напряжения. Временной и температурный дрейф характеризуется величиной относительного и абсолютного изменения выходного напряжения за определенный промежуток времени или в определенном интервале температур.

 

 

1. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

 

В соответствии с выбранной структурной схемой (рис. 2.1) составляем приблизительную схему компенсационного стабилизатора напряжения. После проведения расчета, данная схема будет доработана. Только после полного расчета режимов работы и выбора элементов можно составить окончательный вариант схемы электрической принципиальной компенсационного стабилизатора напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.1.

 

Данная схема состоит из регулирующего элемента, источника опорного напряжения и усилителя обратной связи. Роль регулирующего элемента играет комплиментарный транзистор (состоит из 2х транзисторов VT2 и VT3). Источник опорного напряжения VD1R1,R2VT1. Усилитель обратной связи R4VD2VT4,R5R6R7.

 

 

1. РАСЧЕТ СХЕМЫ ЕЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

 

1. Исходные данные для расчета

 

Номинальное выходное напряжение Uн , В15Номинальный ток нагрузки Ін , А5Коэффициент пульсаций Кп , %0,01Коэффициент стабилизации Кст 100Температура окружающей среды tср , С+20Климатические условиянорм.

 

1. Расчет схемы компенсационного стабилизатора

 

Порядок расчетов приводится в соответствии с методикой приведенной в [2].

Согласно схеме (рис 3.1) находим наименьшее напряжение на выходе стабилизатора:

 

U

Похожие работы

Методика расчета компенсационного стабилизатора напряжения на ИМС — Студопедия

Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собою систему автоматичного регулирования, в которой с заданной точностью поддерживается постоянное напряжение на выходе независимо от изменения напряжения на входе стабилизатора. Такие стабилизаторы дают возможность стабилизировать напряжение при больших токах нагрузки и значительных изменениях входного напряжения. Они имеют больший чем параметрические стабилизаторы коэффициент стабилизации напряжения и меньшее выходное сопротивление. Компенсационные стабилизаторы напряжения в данное время изготовляются в виде законченных ИМС. Параметры некоторых из них приведены в при

ложении 8. Схема включения таких стабилизаторов зависит от типа ИМС. Для стабилизаторов, которые рассчитываются, схема включения приведена на рис.5.

Входными данными для расчета компенсационного стабилизатора напряжения на ИМС являются:

— выходное напряжение на нагрузке ;

— выходной ток нагрузки ;

— амплитуда напряжения пульсаций на выходе стабилизатора ;

После расчета элементов стабилизатора получим данные для расчета выпрямителя:

— напряжение на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

— ток на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

— напряжение пульсаций на входе фильтра (выходе выпрямителя) .

Методика расчета компенсационного стабилизатора напряжения на ИМС следующая.

1. Согласно приложению 8 по значению заданного выходного напряжения на нагрузке  и заданного тока нагрузки  выбирают необходимый тип ИМС компенсационного стабилизатора. Для этой ИМС находят по таблице: коэффициент подавления пульсаций , величину опорного напряжения , величину тока управления , падение напряжения на регулирующем элементе ИМС , максимально допустимую мощность, которая рассеивается ИМС , тепловое сопротивление между р-п переходом и корпусом   и максимальную рабочую температуру р-п перехода .

2. Задаемся рекомендованным значением резистора  в пределах 180-240 Ом, который выбирается согласно номинальному ряду значений (см. приложение 1).

3. Находим значение номинала резистора из выражения:

.                                   (4.1)

4. Согласно приложению 1 выбирают ближайшее номинальное значение сопротивления резистора .

5. По выражению (1) рассчитывают уточненное значение выходного напряжения на нагрузке, которое не должно выходить за пределы заданного допуска . Иначе резистор  делают с помощью параллельного или последовательного соединения двух резисторов с необходимым номинальным значением сопротивления.

6. Находим мощность рассеивания резисторов , :

,                                           (4.2)

.                                           (4.3)

7. Далее с помощью приложения 1 выбирают номинальную мощность рассеивания этих резисторов.

8. Находим минимальное значение напряжения  на входе стабилизатора:

.                                        (4.4)

Выбираем конкретное значение этого напряжения.

9. Находим значение необходимого тока  на входе стабилизатора:

.                                             (4.5)

10.  Определяем максимальную амплитуду напряжения пульсаций на входе стабилизатора из выражения:

.                                            (4.6)

11.  Выбираем значение номинала емкости конденсатора  в пределах 1-100 мкФ согласно номинальному ряду (см. приложение 2).

12. Находим рабочее напряжение конденсатора :

.                                      (4.7)

Выбираем согласно приложению 2 конденсатор с необходимой номинальной емкостью и рабочим напряжением.

13.  Находим мощность, которая рассеивается не регулирующем элементе ИМС:

.                                         (4.8)

Полученное значение должно быть меньше допустимой рассеиваемой мощности данной ИМС . Иначе необходимо выбрать более мощную ИМС компенсационного стабилизатора.

14.  Определим тепловой режим работы ИМС. Для этого находим температуру р-п перехода ИМС  во время работы схемы при температуре окружающей среды :

.                                      (4.9)

Если рассчитанная температура р-п перехода  во время работы ИМС не превышает предельную температуру р-п перехода , то данная ИМС может работать без дополнительного радиатора. В противном случае необходимо использование дополнительного радиатора с тепловым сопротивлением не более:

.                                         (4.10)

В этом случае по расчету выбирается нужное тепловое сопротивление радиатора.

15. Для последующего расчета выпрямителя используют следующие рассчитанные данные:

— напряжение на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

— ток на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

— напряжение пульсаций на входе фильтра (выходе выпрямителя) .

5.  Далее переходят к расчету выпрямителя согласно методике раздела 5.

 

Расчет компенсационных стабилизаторов напряжения (стр. 2 из 4)

По полученным значениям U_{к3 max} , I_н , Р₃ выбираем тип регулирующего транзистора и выписываем его параметры:

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h_11Э3 = 33.0 Ом ,

m₃ = 1 / h_12Э3 = 1 / 0.23 = 4.20 ,

где h_11Э3 – входное сопротивление транзистора, Ом; m₃ – коэффициент передачи напряжения; h_12Э3 – коэффициент обратной связи.

Находим ток базы транзистора VT3

I_Б3 = I_н / h_{21Э3 min} = 5 / 750 = 6.67´10^-3 А . (4.6)

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT2. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер VT2

U_{к2 max} = U_{к3 max} — U_бэ3 = 7 – 0.7 = 6.3 В , (4.7)

где U_бэ3– падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3 (0.7 В).

Ток коллектора VT2 состоит из тока базы VT3 и тока потерь, который протекает через резистор R3,

I_к2 = I_б3 + I_R3 = 5´10^-4 + 6.7´10^-3 = 7.2´10^-3 А. (4.8)

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT2, равняется

Р₂ = I_к2 ´ U_{к2 max} = 7.2´10^-3´ 6.3 = 45.2´10^-3 Вт. (4.9)

По полученным значениям U_{к2 max} , I_к2 , Р₂ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h_11Э2 = 36.36 Ом ,

m₃ = 1 / h_12Э2 = 1 / 0.022 = 45.45 .

Рассчитываем ток базы VT2

I_Б2 = I_к2 / h_{21Э2 min} = 7.2´10^-3 / 60 = 1.2´10^-4 А. (4.10)

Находим сопротивление резистора R3

R3 = (U_н + U_бэ3) / I_R3 = (15 + 0.7) / 5´10^-4 =31400 Ом. (4.11)

Выбираем ближайший по стандарту номинал с учетом рассеиваемой на резисторе мощности

Р_R3 = (U_н + U_бэ3) ´ I_R3 = (15 + 0.7) ´ 5´10^-4 = 7.85´10^-3 Вт. (4.12)

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 33 кОм ±5%.

Источником эталонного напряжения берем параметрический стабилизатор напряжения на кремневом стабилитроне VD2 из расчета

U_VD2 = 0.7 U_н = 0.7 ´ 15 = 13.5 В. (4.13)

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

стабилитрон 2С213Б;

I _VD2 = 5´10^-3 А – средний ток стабилизации;

r _VD2 = 25 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Вычисляем сопротивление резистора R4, задавши средний ток стабилитрона (I _R4 = I _VD2)

R4 = 0.3 U_н / I _R4 = 0.3 ´ 15 / 5´10^-3 = 900 Ом. (4.14)

Мощность, рассеиваемая на резисторе R4, равняется

Р_R4 =0.3U_н ´ I _R4 = 0.3´15´ 5´10^-3 = 22.5´10^-3 Вт. (4.15)

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 910 Ом ±5%.

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT4. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер транзистора

U_к4max = U_н + U_бэ3 + U_бэ2 — U_VD2 = 2.90 В (4.16)

Задаем ток коллектора VT4 меньшим нежили средний стабилитронаVD2

I _К4 = 4´10^-3 А .

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT4

Р₂ = I_к4 ´ U_{к4 max} = 4´10^-3´ 2.90 = 11.6´10^-3 Вт (4.17)

По полученным значениям U_{к4 max} , I_к4 , Р₄ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h_11Э4 = 208,3 Ом ,

m₃ = 1 / h_12Э4 = 1 / 0.034 = 29.41

Рассчитываем ток базы VT4

I_Б4 = I_к4 / h_{21Э4 min} = 4´10^-3 / 50 = 8´10^-5 А. (4.18)

Ток последовательно соединенных резисторов R5, R6, R7 берем равным 5I_б4 и определяем суммарное сопротивление делителя

R_дел = U_н / I_дел­ = 15 / (5 ´ 8´10^-5) = 37500 Ом. (4.19)

Находим сопротивления резисторов:

R5 = 0.3 R_дел = 0.3 ´ 37500 = 11250 Ом;

R6 = 0.1 R_дел = 0.1 ´ 37500 = 3750 Ом;

R7 = 0.6 R_дел = 0.6 ´ 37500 = 22500 Ом. (4.20)

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор R5 типа МЛТ- 0.125 11 кОм ±5%, резистор R7 типа МЛТ- 0.125 22кОм ±5% . Резистор R6 выбираем СП3-44 0.25Вт 3.3кОм.

Рабочее напряжение стабилитрона VD1 определяем из соотношения

U_VD1 = 0.1 U_{вх max} = 0.1 ´ 22 = 2.2 В. (4.21)

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

стабилитрон 2С119А;

I _VD1 = 5´10^-3 А – средний ток стабилизации;

r _VD1 = 15 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Вычисляем сопротивление резистора R1, задавши средний ток стабилитрона (I _R1 = I _VD1)

R1 = 0.9 U_{вх max} / I _R1 = 0.9 ´ 22 / 5´10^-3 = 3960 Ом. (4.22)

Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, равняется

R1 = 0.9U_{вх max} ´ I _R1 = 0.9´ 22´ 5´10^-3 = 99´10^-3Вт (4.23)

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 3.9 кОм ±5%.

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT1. Рассчитываем ток коллектора транзистора VT1

I_к1 = I_к4 + I_б2 = 4´10^-3 + 12´10^-5 =412´10^-5 (4.24)

Находим напряжение коллектор-эмиттер VT1

U_к1max = U_{вх max} — U_R2 + U_к4max — U_VD2 = 4.1 В, (4.25)

где U_R2 = U_VD1 — U_бэ1 – падение напряжения на резисторе R2.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзисторa VT1

Р₁ = U_к1max ´ I_к1 = 4.1 ´ 412´10^-5 = 16´10^-3 Вт. (4.26)

По полученным значениям U_{к1 max} , I_к1 , Р₁ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Рассчитываем сопротивление резистора R2

R2 = U_R2 / I_К1 = 1.5 / 412´10^-5= 364 Ом, (4.27)

Р_R2 = U_R2 ´ I_К1 = 1.5 ´ 412´10^-5= 618´10^-5 Вт. (4.28)

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 360 Ом ±5%.

Рассчитываем основные параметры составного транзистора:

входное сопротивление транзистора

h_{11Э ск} =h_11Э2+h_11Э3h_21Э2min= 36.36 + 33´60 =2016 Ом; (4.29)

Расчет компенсационных стабилизаторов напряжения

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение                                                                                2

1. Обзор и анализ источников питания                             3

2. Выбор и анализ структурной схемы                              4

3. Разработка принципиальной электрической схемы     6

4. Расчет схемы электрической принципиальной            7

4.1 Исходные данные для расчета                                      7

4.2 Расчет схемы компенсационного стабилизатора     7

4.3 Расчет схемы защиты КСН от перегрузок                 15

4.4 Разработка схемы КСН на базе ИМС                            17

5. Анализ и оценка ошибок                                                   20

6. Вывод                                                                                 22

7. Список литературы                                                         23

Приложение 1. Схема электрическая принципиальная

на базе дискретных элементов                                          24

Приложение 2. Схема электрическая принципиальная

на базе ИМС                                                                           26

Приложение 3. ВАХ транзистора КТ827                            28

Приложение 4. ВАХ транзистора КТ603                            29

Приложение 5. ВАХ транзистора КТ312                            30

Приложение 6. Влияние разброса параметров

электронных компонентов                                                  31

 

ВВЕДЕНИЕ

 

На сегодняшний день появляются все более сложные электронные системы, использующие в качестве элементной базы новейшие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы с высокой степенью интеграции.

        Успешное развитие науки и техники в рамках жестокой конкуренции во многом обусловлено успехами электроники. Трудно себе представить какую-либо отрасль производства, в которой бы в той или иной степени не использовались электронные приборы или электронные устройства автоматики.

        Неотъемлемой частью многих радиоэлектронных и электронных устройств являются стабилизаторы постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как высокостабильные источники питания, обеспечивающие необходимую надежность работы, в других — не только как источники питания, но и как источники эталонного (образцового) напряжения. Образцовое напряжение необходимо во многих системах авторегулирования и телеметрии, измерительных схемах, схемах преобразования непрерывных величин в дискретную форму, в схемах электрического моделирования.

        Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности.

        Полупроводниковые стабилизаторы могут также использоваться в замен аккумуляторных и сухих батарей в измерительных и поверочных лабораториях.

        Наиболее характерной чертой дальнейшего научно-технического прогресса в нашей стране является переход к полностью автоматизированному производству на базе использования электронной техники.

Настройки компенсации регулятора напряжения

% PDF-1.5 % 56 0 объект >>> endobj 94 0 объект > поток 11.0 8,5 10 2018-08-02T05: 59: 02.218-04: 00 3-Heights (TM) PDF Optimization Shell 4.8.25.2 (http://www.pdf-tools.com) Подразделение Eaton Power Systems 56a5be3be8dcbee3f39d33cc8e200c3bfc8be635 138163 TD225011EN; R225-10-1 3-Heights (TM) PDF Optimization Shell 4.8.25.2 (http: // www.pdf-tools.com) PScript5.dll Версия 5.2.2 2017-12-21T15: 49: 03.000-06: 00 2017-12-21T16: 49: 03.000-05: 00 2017-12-20T14: 42: 01.000-05: 00 application / pdf 2018-08-02T06: 00: 40.729-04: 00

Подразделение энергетических систем Eaton

В этом документе обсуждаются методы определения настроек компенсатора регулятора напряжения.

TD225011EN

R225-10-1

Настройки компенсации регулятора напряжения

uuid: 9b6429ac-225f-4391-82bf-9c24fedb6d79 uuid: 9c40b169-ddbf-4df7-82d2-ca9542a9b638

eaton: ресурсы / технические ресурсы / технические данные

eaton: вкладки поиска / тип содержимого / ресурсы

eaton: страна / северная америка / сша

eaton: таксономия продукции / системы управления-распределения-среднего напряжения / регулятор напряжения / cl-7-Voltage-Regator-control

eaton: language / en-us

конечный поток endobj 54 0 объект > endobj 52 0 объект > endobj 50 0 объект > endobj 57 0 объект > / ExtGState> / Font >>> / Rotate 0 / TrimBox [0 0 612 792] / Type / Page >> endobj 1 0 obj > / ExtGState> / Font> / Properties >>> / Rotate 0 / TrimBox [0 0 612 792] / Type / Page >> endobj 6 0 obj > / ExtGState> / Font> / Properties >>> / Rotate 0 / TrimBox [0 0 612 792] / Type / Page >> endobj 9 0 объект > / ExtGState> / Font >>> / Rotate 0 / TrimBox [0 0 612 792] / Type / Page >> endobj 11 0 объект > / ExtGState> / Font >>> / Rotate 0 / TrimBox [0 0 612 792] / Type / Page >> endobj 13 0 объект > / ExtGState> / Font> / Properties >>> / Rotate 0 / TrimBox [0 0 612 792] / Type / Page >> endobj 16 0 объект > / ExtGState> / Font> / Properties >>> / Rotate 0 / TrimBox [0 0 612 792] / Type / Page >> endobj 22 0 объект > / ExtGState> / Font> / Properties >>> / Rotate 0 / TrimBox [0 0 612 792] / Type / Page >> endobj 28 0 объект > / ExtGState> / Font >>> / Rotate 0 / TrimBox [0 0 612 792] / Type / Page >> endobj 30 0 объект > / ExtGState> / Font >>> / Rotate 0 / TrimBox [0 0 612 792] / Type / Page >> endobj 31 0 объект > поток x [] r} # 71_ IJWɑVqHU ~} Nw

.

4 пример расчета компенсации реактивной мощности

Реактивная мощность

Сначала несколько слов об основах определения реактивной мощности в системе. Реактивный ток возникает в каждой электрической системе. Не только большие нагрузки, но и меньшие нагрузки требуют реактивной мощности. Генераторы и двигатели вырабатывают реактивную мощность, которая вызывает ненужные нагрузки и потери мощности в линиях.

4 примера расчетов компенсации реактивной мощности (фото предоставлено mavinelectric.files.wordpress.com)

На рисунке 1 показана блок-схема загрузки сети.

Рисунок 1 — Эквивалентная принципиальная схема сети с различной нагрузкой: а) Эквивалентная схема; б) Диаграмма

Реактивная мощность необходима для создания магнитных полей, например в двигателях, трансформаторах и генераторах. Эта мощность колеблется между источником и нагрузкой и представляет собой дополнительную нагрузку.

Энергоснабжающие организации и потребители этой электроэнергии заинтересованы в максимальном уменьшении этих недостатков.С другой стороны, нелинейные нагрузки и инверторы с фазовым управлением вызывают гармоники , которые приводят к изменениям напряжения и снижению коэффициента мощности. Для уменьшения этих гармоник используются последовательные резонансные (фильтрующие) цепи.

Теперь давайте возьмем несколько примеров, чтобы вычислить следующее:

1. Определение емкостной мощности
2. Емкостная мощность с коэффициентом k
3. Определение поперечного сечения кабеля
4. Расчет значения c / k

Пример 1 — Определение емкостной мощности

Нагрузка имеет эффективную мощность P = 50 кВт при 400 В , а коэффициент мощности должен быть скомпенсирован от cosφ = 0.75 до cosφ = 0,95 . Определите необходимую емкостную мощность. Мощность и ток до компенсации:

Мощность и ток после компенсации:

Требуемая емкостная мощность:

Вернуться к расчетам ↑

Пример 2 — Емкостный Мощность с коэффициентом k

Емкостная мощность может быть определена с помощью коэффициента k f для заданной эффективной мощности .Коэффициент k считывается из таблицы 1 — Множители для определения киловар конденсатора, необходимых для коррекции коэффициента мощности (см. Ниже), и умножается на эффективную мощность. Результат — необходимая емкостная мощность.

Для увеличения коэффициента мощности с cosφ = 0,75 до cosφ = 0,95 из таблицы 1 находим коэффициент k = 0,55 :

Вернуться к расчетам ↑

Пример 3 — Определение поперечного сечения кабеля

Трехфазная мощность 250 кВт , при Un = 400 В , при 50 Гц должна передаваться по кабелю длиной 80 м .Падение напряжения не должно превышать 4% = 16 В . Коэффициент мощности должен быть увеличен с cosφ = 0,7 до cosφ = 0,95 . Какое необходимое сечение кабеля?

Потребление тока до компенсации:

Потребление тока после компенсации:

Эффективное сопротивление на единицу длины для 516 A составляет:

Согласно таблице 2 (см. Ниже) необходимо выбрать кабель сечением 4 × 95 мм ² .Эффективное сопротивление на единицу длины для 380 A составляет:

Здесь требуется сечение кабеля 4 × 70 мм ² . Как показывает этот пример, улучшенный коэффициент мощности приводит к снижению затрат из-за уменьшенного поперечного сечения.

Вернуться к расчетам ↑

Пример 4 — Расчет значения c / k

Для конденсаторной батареи 150 , т.е. 5 ступеней по 30 каждая , напряжения питания 400 В и прибора трансформатор с ак 500 А / 5 А , насколько велико значение ц / к? Отношение c / k определяется выражением.

Вернуться к расчетам ↑

Таблицы

Таблица 1 — Множители для определения киловаров конденсатора, необходимых для коррекции коэффициента мощности

Таблица 1 — Множители для определения киловаров конденсатора, необходимых для коррекции коэффициента мощности 2 — Сопротивление на единицу длины для (Cu) кабеля с пластиковой изоляцией

Таблица 2 — Сопротивление на единицу длины для (Cu) кабеля с пластиковой изоляцией

Вернуться к расчетам ↑

Ссылки

1. Анализ и проектирование систем низкого напряжения от Исмаила Касикчи (покупка в твердом переплете у Amazon)
2. Коррекция коэффициента мощности — руководство для инженера EATON

.Реактивная мощность

и основы решения для компенсации

Почему нам не нравится реактивная мощность

Общая мощность, так называемая полная мощность , передающей сети состоит из активной и реактивной мощности (рис. 1). В то время как потребители энергии, подключенные к источнику питания, преобразуют активную мощность в активную энергию, реактивная энергия, относящаяся к реактивной мощности, не потребляется.

Основы решений по реактивной мощности и компенсации для студентов (фото: eltrex.ro)

Реактивная мощность на стороне потребителя используется только для создания магнитного поля, например, для работы электродвигателей, насосов или трансформаторов.

Реактивная мощность генерируется, когда мощность забирается из питающей сети и затем возвращается в сеть с задержкой по времени.

Таким образом, он колеблется между потребителем и генератором. Это создает дополнительную нагрузку на сеть и требует большего размера, чтобы принимать колеблющуюся реактивную мощность в дополнение к доступной активной мощности.Как следствие, на меньше активной мощности может быть передано .

Рисунок 1 — Состав общей мощности передающей сети

Реактивная мощность имеет нулевое среднее значение, потому что она пульсирует вверх и вниз , усредняясь до нуля. Реактивная мощность измеряется как максимум пульсирующей мощности за цикл. Оно может быть положительным или отрицательным, в зависимости от того, достигает ли пик тока до или после напряжения.

По соглашению, реактивная мощность, как и активная мощность, положительна, когда она «подается», и отрицательна, когда она «потребляется».Потребление реактивной мощности снижает значения напряжения , а подача реактивной мощности увеличивает значения напряжения.

Решение с компенсацией //

С системой компенсации реактивной мощности с силовыми конденсаторами, напрямую подключенными к сети низкого напряжения и рядом с потребителем энергии , объекты передачи могут быть разряжены, поскольку реактивная мощность больше не подается от сеть, но обеспечивается конденсаторами (Рисунок 2).

Рисунок 2 — Принцип компенсации реактивной мощности с использованием силовых конденсаторов низкого напряжения

Потери при передаче и потребление энергии снижаются, а дорогостоящие расширения становятся ненужными, так как одно и то же оборудование может использоваться для передачи большей активной мощности благодаря компенсации реактивной мощности.

Определение мощности конденсатора

Система с установленной активной мощностью P должна быть компенсирована от коэффициента мощности cos φ ₁ до коэффициента мощности cos φ ₂ . Мощность конденсатора, необходимая для этой компенсации, рассчитывается следующим образом:

Q _c = P · (tan φ ₁ — tan φ ₂ )

Компенсация уменьшает передаваемую полную мощность S (см. Рисунок 3) .Омические потери при передаче уменьшаются пропорционально токам.

Рисунок 3 — Диаграмма мощности для некомпенсированной (1) и компенсированной (2) установки

Оценка реактивной мощности

Для промышленных предприятий, которые все еще находятся в стадии настройки, можно приблизительно предположить, что потребители реактивной мощности в основном это асинхронные двигатели переменного тока, работающие со средним коэффициентом мощности cos φ ≥ 0,7 . Для компенсации до cos φ = 0,9 , требуется мощность конденсатора примерно 50% активной мощности:

Q _c = 0.5 · P

В инфраструктурных проектах (офисы, школы и т. Д.) Применяется следующее:

Q _c = 0,1 до 0,2 · P

Расчет реактивной мощности

(на основе счет за электроэнергию)

Для уже работающих установок необходимую мощность конденсатора можно определить путем измерения. При наличии счетчиков активной и реактивной работы потребляемая мощность конденсатора может быть взята из ежемесячного счета за электроэнергию.

tan φ = реактивная работа / активная работа

Для идентичного времени работы счетчика при измерении реактивной и активной работы //

tan φ = реактивная мощность Q / активная мощность P с
tan φ = √ (1 — cos ² φ) / cos φ

Мощность компенсации Q _c , соответствующая активной мощности P, может быть рассчитана для желаемого значения cos φ2.

Q _c = Q ₁ — Q ₂ = P · F

В данном случае F = tan φ1 — tan φ2

Для упрощения расчета Q _c в таблице 1 указано значение коэффициенты преобразования F , когда измеренное значение cos φ ₁ необходимо компенсировать для достижения коэффициента мощности cos φ ₂ в процессе эксплуатации.

Таблица 1 — Коэффициенты пересчета F для регулировки фазового угла

3 основных типа компенсации //

Конденсаторы могут использоваться для одиночной, групповой и центральной компенсации . Эти типы компенсации будут представлены в следующем //

Одиночная компенсация

При однократной компенсации конденсаторы подключаются непосредственно к клеммам отдельных потребителей энергии и включаются вместе с ними через общее переключающее устройство.Здесь мощность конденсатора должна быть точно отрегулирована для соответствующих потребителей. Однократная компенсация часто используется для асинхронных двигателей (рисунок 4).

Рисунок 4 — Одиночная компенсация

Одиночная компенсация экономически выгодна для:

• Крупных индивидуальных потребителей энергии
• Постоянное потребление энергии
• Длительное время включения

Здесь нагрузка снимается с фидерных линий к потребителям энергии . Однако непрерывная корректировка мощности конденсатора в соответствии с его реактивной мощностью невозможна.

Групповая компенсация

При групповой компенсации каждое устройство компенсации назначается группе потребителей . Такая группа потребителей может состоять, например, из двигателей или газоразрядных ламп, которые подключены к источнику питания через контактор или переключатель. В этом случае также не требуются специальные коммутационные устройства для подключения конденсаторов (рисунок 5).

Рисунок 5 — Групповая компенсация

Групповая компенсация имеет те же преимущества и недостатки, что и одиночная компенсация .

Центральная компенсация

Блоки управления реактивной мощностью используются для централизованной компенсации , которые напрямую назначаются блоку распределительного устройства, распределительному щиту или вспомогательному распределительному щиту и устанавливаются там централизованно. Блоки управления содержат ответвительные цепи переключаемых конденсаторов и контроллер, который получает реактивную мощность, присутствующую в месте подачи питания.

Рисунок 6 — Центральная компенсация

Если она отклоняется от заданного значения, контроллер последовательно включает или выключает конденсаторы через контакторы .

Мощность конденсатора выбирается таким образом, чтобы вся установка достигла желаемого cos φ (Рисунок 6). Централизованная компенсация рекомендуется в случае:

• Множество малых потребителей электроэнергии подключены к источнику питания
• Различная потребность в мощности и разное время включения потребителей энергии

Ссылки //

• Планирование распределения электроэнергии по SIEMENS
• Принципы эффективного и надежного снабжения и потребления реактивной мощности Федеральной комиссией по регулированию энергетики

.Стабилизаторы напряжения

, используемые для управления напряжением в конце распределительного фидера

Введение в управление напряжением

Существует три основных метода, используемых для управления напряжением на конце распределительного фидера — с помощью оборудования управления для изменения напряжение на стороне питания фидера или на стороне нагрузки, а также путем управления током в линии путем изменения коэффициента мощности.

Используемые регуляторы напряжения управляют напряжением в конце распределительного фидера (на фото: четырехканальный усилитель, который регулирует выходное напряжение до определенного уровня; предоставлено Wilson Transformer Company)

В источнике передачи напряжение контролируется регуляторами напряжения на генераторах.Оборудование для регулирования напряжения, подключенное либо к стороне питания , либо к стороне нагрузки фидера , будет включать:

1. РПН без нагрузки,
2. Трансформаторы с переключением под нагрузкой,
3. Бустерные трансформаторы,
4. Подвижная катушка регуляторы,
5. Регуляторы индукционные.

Устройства регулирования тока, предназначенные для управления коэффициентом мощности, представляют собой статические или вращающиеся конденсаторы. Роторные конденсаторы редко, если вообще когда-либо, используются в модемных энергосистемах и не будут обсуждаться.

Оборудование для изменения напряжения

Трансформаторы с переключением ответвлений сконструированы таким образом, что выходное напряжение можно регулировать с помощью переключателя для увеличения или уменьшения напряжения.

Выключатели могут быть спроектированы так, чтобы не пропускать ток во время изменения значения напряжения (устройство РПН ) или выдерживать полный номинальный ток (устройство РПН ).

Обычно напряжение изменяется с приращением номинального напряжения — обычно 2.5% для распределительных трансформаторов (от 22/11 кВ до 400 В) , но более тонкой, скажем, 1,25 — 1,5% для трансформаторов на передающих подстанциях с полным диапазоном регулировки до ± 10% номинального выходного напряжения.

Это означает, что для линии 11 кВ напряжение на стороне питания может быть от 9,9 кВ до 12,1 кВ .

Устройства РПН гарантируют отсутствие перебоев в электроснабжении при изменении значения напряжения , и, как следствие, являются предпочтительными, даже несмотря на то, что они намного дороже.Когда устанавливаются устройства РПН, подача электроэнергии должна быть отключена на время, необходимое для изменения уставки напряжения.

Как правило, трансформаторы зональных и передающих подстанций оборудуются переключателями ответвлений под нагрузкой из-за очень большого числа потребителей, которые могут пострадать, если их придется отключать каждый раз при необходимости переключения ответвлений.

Основные элементы нагрузки и компенсационных цепей, используемых для автоматического управления устройством РПН, показаны на рисунке 1.

По сути, он состоит из реле измерения напряжения, которое приводит в действие двигатель устройства РПН для автоматического перемещения положения РПН вверх или вниз по мере отклонения напряжения от установленного желаемого уровня напряжения. Этот установленный уровень обычно называется « плавающее напряжение » трансформатора или подстанции.

Реле напряжения измеряет как выходное напряжение трансформатора, так и компенсирующее напряжение, которое отражает падение, ожидаемое в фидере, как показано ниже.

Чтобы понять, как работает система, сначала рассмотрим как простейший случай, когда выходное напряжение трансформатора управляет реле .

Выход трансформатора измеряется трансформатором напряжения. Если выходное напряжение выходит за пределы установленного уровня («плавающее напряжение») из-за, скажем, увеличения нагрузки, реле регулирования напряжения активирует устройство РПН и изменяет одно положение ответвления на трансформаторе, чтобы повысить напряжение и довести выходное напряжение. обратно на желаемый уровень .

И наоборот, когда нагрузка падает, выходное напряжение начинает расти, и реле регулирования напряжения заставляет трансформатор переключать один ответ назад, чтобы понизить напряжение и снова вернуть его к желаемому уровню.

Мы также можем компенсировать падение в фидерах, выходящих из подстанции, путем передачи выходного сигнала трансформатора тока через регулируемые значения сопротивления и реактивного сопротивления (которые настроены так, чтобы отражать значения сопротивления и реактивного сопротивления фидера) при измерении напряжения. цепь.

Падение импеданса модели Z _c в реле регулирования напряжения должно отражать падение напряжения в фидере при правильной настройке.

Рисунок 1a — Цепи нагрузки и управления Рисунок 1b — Фазорные диаграммы цепей нагрузки и управления

Где:

Главные цепи		Цепи управления
E S	Sending конечное напряжение	e T	Выходное напряжение трансформатора напряжения
E Z	Падение сетевого напряжения	e C	Падение напряжения компенсатора
E R	Приемный конец напряжение	e V	Напряжение регулирующего реле
R L	Сопротивление линии	R C	Сопротивление компенсатора
X L	Реактивное сопротивление линии	X C	Реактивное сопротивление компенсатора
I L 9 0083	Ток нагрузки	i C	Вторичный ток ТТ

Реле измерения напряжения теперь заставит трансформатор переключать ответвления в ответ на изменения напряжения на нагрузке на конце фидера , а не только на выводах трансформаторов на подстанции.Когда нагрузка увеличивается, это будет означать, что ответвления будут изменяться раньше, чем при измерении выходного напряжения трансформатора, и выходное напряжение трансформатора будет выше, но на стороне нагрузки фидера напряжение будет поддерживаться на желаемом уровне.

Это можно увидеть на векторной диаграмме на рисунке 1.

Выход трансформатора напряжения e _t является отражением E _S , напряжения на клеммах зонного трансформатора. Вычитая из вектора напряжения e _t вектор напряжения e _z , который пропорционален падению линейного напряжения E _Z , результирующее напряжение ev (которое управляет приводным механизмом ответвителя) чейнджер) будет представлять напряжение нагрузки E _R для всех условий.

Эта компенсация падения напряжения в линии называется «компенсация падения напряжения в линии» («LDC») . Обычно устанавливается как процентное повышение напряжения при определенном значении нагрузки трансформатора.

Таким образом, если LDC равен нулю, реле регулирования напряжения трансформатора будет переключать ответвления исключительно в зависимости от напряжения на клеммах трансформатора. Когда LDC установлен на некоторое положительное значение, реле регулирования напряжения трансформатора будет переключать ответвления в зависимости от напряжения на клеммах трансформатора за вычетом значения падения напряжения в линии.

Типы регуляторов напряжения

Регуляторы

Самый простой и наиболее часто используемый метод повышения напряжения на распределительных линиях, где емкость не является проблемой, но где колебания напряжения чрезмерны (например, сельские фидеры), через автомобиль трансформатор, обычно просто (но не точно) называемый «регулятор напряжения» (потому что, как мы обсудим ниже, существует много типов регуляторов).

Автотрансформатор имеет одну общую катушку вместо отдельных первичной и вторичной катушек , как в традиционных трансформаторах.

Выходное напряжение может быть увеличено за счет большего числа оборотов на выходном ответвлении или уменьшено («компенсировано») за счет меньшего числа оборотов в положении выходного ответвления, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 — Регулятор напряжения (автотрансформатор)

Ответвители автоматически заменяются устройством РПН, описанным выше. Еще одно устройство для управления напряжением, которое может использоваться отдельно или вместе с трансформатором, — это регулятор, который бывает двух типов:

• Индукционные регуляторы напряжения
• Регуляторы напряжения с подвижной катушкой

Индукционный регулятор состоит из статора. и ротор, и сконструирован аналогично асинхронному двигателю с фазным ротором с гибкими соединениями, идущими от ротора, который не вращается.

Угловое положение (неподвижного) вала относительно корпуса статора регулируется с помощью зубчатого колеса с ручным или моторным приводом.

Индукционный регулятор напряжения

Одна обмотка (статор) подключена шунтом к линиям, напряжение которых необходимо контролировать, а другая обмотка (ротор) подключена последовательно с нагрузкой или воздушной линией. В зависимости от относительного углового положения статора и ротора, шунтирующая обмотка индуцирует напряжение (v ₁ ) в последовательной обмотке, где индуцированное напряжение может быть синфазным с напряжением системы или может быть до 180 °. фазы.

В результате выходное напряжение может изменяться по величине в диапазоне:

(V + v ₁ ) до (V — v ₁ )

где:

• V — это входное напряжение
• v ₁ — это вводимое последовательное напряжение

Обычная трехфазная схема имеет тот недостаток, что она вводит фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями при всех значениях, кроме полного повышения и полного понижения .Это не имеет значения при использовании в индивидуальном источнике питания, но исключает его использование в взаимосвязанных сетях.

Регулятор с подвижной катушкой состоит из двух пар тесно связанных шунтирующих и последовательных катушек A ₁ — S ₁ и A ₂ — S ₂ соответственно, как показано на рисунке 3 ниже.

Рисунок 3 — Схема регулятора с подвижной катушкой

Четыре катушки установлены на общей магнитной цепи, а подвижная катушка M размещена поверх них.Подвижная катушка M замкнута накоротко на себя и на пределе своего хода окружает ту или иную пару неподвижных катушек.

Шунтирующие катушки A ₁ и A ₂ соединены с их сложением полярности напряжения, а последовательные катушки S ₁ и S ₂ имеют противоположные напряжения. Взаимная индуктивность короткозамкнутой катушки M в верхнем положении снижает напряжение на A ₁ до минимума и увеличивает напряжение на A ₂ до максимума.

В этом случае напряжение, наведенное в S ₁ , является минимальным, а напряжение в S ₂ — максимальным. Диапазон регулирования выходного напряжения зависит от соотношений S ₂ : A ₂ и S ₁ : A ₁ .

Бустеры

Другой, менее распространенный метод внесения небольших корректировок в линейное напряжение, использует линейные бустерные трансформаторы. Существует два типа устройств:

1. В фазных повышающих трансформаторах
2. Квадратурные (четырехкратные) повышающие трансформаторы

Бустерный синфазный трансформатор используется для подачи переменного напряжения в линейную цепь с целью регулирования напряжения .Это оборудование будет использоваться там, где желательно получить дополнительный контроль напряжения на линиях при нагрузке, и нет желания покупать новый трансформатор.

Типичное расположение обмоток для синфазного усилителя показано на рисунке 4. Активные проводники трехфазной системы обозначены номерами AA ‘, BB’ , CC ‘ соответственно, а соответствующие уровни напряжения указаны ниже. показано на векторной диаграмме.

Рисунок 4 — Расположение обмоток отдельного повышающего трансформатора, регулирующего синфазное напряжение.

Три последовательных трансформатора «a» имеют вторичные обмотки «b», подключенные к линиям A-A ’, B-B’, C-C ’.Первичные обмотки этих трансформаторов «c» возбуждаются от регулируемых выходов трехфазного трансформатора «e», первичные обмотки которого соединены через линию ABC в звездообразной конфигурации.

Изменение положения устройства РПН «x» между клеммами «d — f» приведет к изменению напряжения, подаваемого в линии A-A ’, B-B’, C-C ’через трансформаторы« a ».

Квадратурные усилители или блоки управления фазовым углом подают напряжение, имеющее основную составляющую в 900 электрических величин, в существующее сетевое напряжение.Это достигается путем объединения напряжений от разных фаз вместо одной и той же фазы .

Общий метод соединения показан на рисунке 5. По сути, они представляют собой разновидность синфазного усилителя, описанного выше.

Рисунок 5 — Расположение обмоток фазово-сдвигающего трансформатора — квадратурный усилитель

При перемещении механизма РПН «x» с клеммы «g» на «f» линейное напряжение будет увеличиваться («повышаться») и при переходе от «g» к «d» линейное напряжение будет уменьшаться («понижение»).

Может потребоваться оборудование для регулирования фазового угла , когда две цепи с разным импедансом, несущие переменные нагрузки, подключены в двух точках системы . Начиная с точки, в которой концы линий соединены вместе, а другие концы линий отключены, разные импедансы линий означают, что между двумя напряжениями на других концах линий будет разность фаз, когда каждая из них несет ток.

Это фазовое смещение будет изменяться при изменении нагрузки на две линии подачи.Когда две фидерные линии подключены к системе, разница в напряжениях из-за сдвига фаз на их концах вызовет циркуляцию тока.

Когда квадратурный усилитель используется в конце одной из этих линий , можно изменить распределение тока в фидерах и минимизировать любые циркулирующие токи .

Коррекция коэффициента мощности

В то время как регулирование напряжения с помощью трансформаторов с переключением ответвлений является обычным методом в распределительных сетях, конденсаторы для коррекции коэффициента мощности также могут влиять на регулируемые напряжения .

На векторной диаграмме Рис. 6 показано влияние на регулирование напряжения путем добавления конденсаторов к нагрузке и, таким образом, изменения коэффициента мощности .

Значения напряжения, подаваемого без подключенных конденсаторов, показаны сплошными линиями (E _S ) и с конденсаторами, что уменьшает угол запаздывания по току с Φ до Φ ₁ , пунктирными линиями (E _S1 ). Обратите внимание, что E _S1 меньше, чем E _S , т.е. регулировка напряжения меньше.

Рисунок 6 — Векторная диаграмма напряжения

Для напряжений до подключения конденсаторов:

• OI = ток нагрузки при нескорректированном фазовом угле
• OE _R = напряжение приема или напряжение нагрузки
• E _R E _S = падение линейного напряжения из-за линейного тока I
• OE _S = отправка конечного напряжения

При подключении конденсаторов синфазная составляющая тока нагрузки I остается то же самое, но квадратурная составляющая уменьшается, что приводит к новому току нагрузки I.

Если предположить, что напряжение нагрузки ER остается постоянным, тогда:

• OI ₁ = ток нагрузки при скорректированном фазовом угле
• OE _R = напряжение приема или напряжение нагрузки
• E _R E _S1 = падение линейного напряжения из-за линейного тока I1
• OE _S1 = новое конечное напряжение отправки

Видно, что вектор OE _S1 меньше, чем OE _S , поэтому на передающем конце требуется более низкое напряжение, чтобы поддерживать постоянное напряжение нагрузки.Обычной практикой является поддержание постоянного напряжения на передающей стороне и включение и выключение конденсаторов на принимающей стороне для регулировки напряжения на принимающей стороне.

Ссылка // Проектирование воздушных распределительных систем Институтом Чизхолма TAFE

.