Стабилизаторы напряжения и тока с нелинейными элементами

Лекция: Регулирование напряжение и тока

За счет изменения нагрузки на энергосистему напряжение в электрических сетях не остается постоянным, а подвергается зна­чительным изменениям, при этом величина этих изменений до­стигает 10-20% номинального значения.

Изменение величины сетевого напряжения вредно сказыва­ется на работе приемников электрической энергии: при повышении напряжения питающей сети на 10% выше номинального срок службы обычных электри­ческих ламп накаливания сокращается примерно в четыре раза; при понижении напряжения на 10 % сила света, излучаемого лам­пой накаливания, уменьшается на 40%. Повышение напряжения накала мощных радиоламп всего на 1 %, уменьшает их срок службы примерно на 15%.

Колебания сетевого напряжения сказываются и на величине выпрямленного напряжения в выпрямителях, питающих цепи усилительных устройств: понижение напряжения сети вызывает уменьшение величины выпрямленных напряжения, что приводит к уменьшению выход­ной мощности усилительного устройства и дополнительным ис­кажениям за счет изменения режима работы. В низковольтных выпрямителях, предназначенных для питания ЗЧЛ, снижение сетевого напряжения приводит к недокалу лампы, а, следовательно, к уменьшению светового потока.

Иногда изменение режима питания происходит не только из-за колебаний сетевого напряжения, но и вследствие изменения сопротивления.

Для обеспечения нормального режима питания приемников электрической энергии применяются различные виды регулирующих устройств. Эти устройства можно подразделить на две боль­шие группы:

1) ручные регулирующие устройства;

2) автоматические регулирующие устройства.

Автоматические регулирующие устройства, предназначенные для обеспечения постоянства питающего напря­жения, носят название стабилизаторов напряже­ния, а устройства для автоматического поддержания постоян­ства тока потребителя называются стабилизаторами тока.

Стабилизаторы сложнее и дороже ручных регулирующих устройств, однако, применение стабилизаторов устраняет необ­ходимость непрерывного наблюдения за режимом работы и обес­печивает заданную точность регулирования без вмешательства человека, что исключает возможность субъективных ошибок, неизбежных при ручном регулировании.

Ручное регулирование в цепях постоянного тока осуществля­ется с помощью переменных активных сопротивлений (реостатов, делителей напряжения, потенциометров). Активные сопротивле­ния пригодны также и для регулирования в цепях переменного тока. Для ручного регулирования в цепях переменного тока поль­зуются и переменными индуктивными сопротивлениями, а также различными видами регулировочных трансформаторов и авто­трансформаторов. В качестве переменных индуктивных сопро­тивлений обычно используют дроссели с секционированной об­моткой, дроссели с регулируемым зазором в магнитной цепи и дроссели насыщения с подмагничиванием постоянным током.

Для работы в схемах стабилизаторов используют нелинейные элементы и управляемые приборы. Из числа нелинейных элемен­тов для автоматического регулирования наибольшее распростра­нение получили термосопротивления, кремниевые полупроводниковые стабилитроны и насыщенные дроссели. Из управляемых приборов в схемах ста­билизаторов используют электронные лампы, транзисторы, уп­равляемые полупроводниковые диоды, дроссели насыщения и магнитные усилители.

Для регулирования напряжения потребителя переменные ак­тивные сопротивления включают либо последовательно с потре­бителем, либо параллельно источнику электрической энергии. В первом случае переменное активное сопротивление принято называть реостатом, а во втором - регулируемым делителем на­пряжения или потенциометром. В обоих случаях регулирование основано на поглощении активным сопротивлением значительной части электрической энергии и превращении ее в тепло, поэтому способ регулирования с помощью активных сопротивлений су­щественно снижает КПД.

 

 

Рисунок 17 – Схема включения реостата

Регулирование с помощью реостатов:

- регулирование, обеспечивающее постоянную величину на­пряжения на потребителе при изменении питающего напряжения и при неизменном значении сопротивления потребителя.

- регулирование, обеспечивающее постоянную величину тока при изменении сопротивления потребителя в пределах от R _мин до R _макс при неизменном значении питающего напряжения.

Задача регулирования в этом случае сводится к тому, чтобы общее сопротивление цепи оставалось неизменным.

Следует отметить, что потери мощности на рео­стате тем больше, чем боль­ше интервал изменения со­противления потребителя и чем больше величина тока.

Если, например, максимальное значение сопротивления нагруз­ки R_{н макс} больше минимального значения R_{н мин} в два раза, то потери мощности на реостате будут равны мощности на по­требителе и КПД составит всего 50%. Если учесть, что одновре­менно с изменением сопротивления потребителя может быть и из­менение питающего напряжения, то потери станут еще больше.

Приведенные примеры показывают, что схема регулирования напряжения и тока с помощью реостата дает малые потери только при узком диапазоне регулирования и при малой мощности по­требителя. Поэтому регулирование в широких пределах целе­сообразно производить в цепях малой мощности, а в цепях боль­шой мощности регулирование можно вести только в ограниченных пределах. Иногда в цепях большой мощности применяется регу­лирование и в широких пределах, но при кратковременных режи­мах (например, в момент пуска электрических машин).

Регулирование с помощью делителей напряжения. Потенцио­метры (регулируемые делители напряжения) применяются в тех случаях, когда требуется осуществить регулирование напряжения на потребителе в широких пределах. На рис.18, а дана схема включения потенциометра. При перемещении движка потенцио­метра от одного крайнего положения до другого напряжение на потребителе изменяется от нуля до величины напряжения, действующего на зажимах источника.

 

 

Рисунок 18 - Схемы включения потенциометра и делителя напряжения

В ряде случаев бывает нужно получить определенное соотно­шение между напряжением потребителя и напряжением источ­ника. Для этого применяются

делители напряжения, составлен­ные из постоянных активных сопротивлений (рис. 18, б).

Однако с умень­шением величины сопротивления R₂ возрастает ток, потребля­емый делителем, и, следовательно, увеличиваются мощности. Поэтому, чтобы избежать больших потерь, делители напряжения следует применять только при больших значениях сопротивле­ния R_H, т. е. при малой мощности потребителя.

Для регулирования в цепях переменного тока большое рас­пространение получили переменные индуктивные сопротивления. По сравнению с активными сопротивлениями они мало снижают к. п. д. даже при регулировании в широких пределах. Кроме того, в процессе работы индуктивные сопротивления имеют малый нагрев и поэтому не опасны в пожарном отношении. Некоторым недостатком индуктивных сопротивлений является снижение коэффициента мощности.

На рис. 19, а дана схема включения дросселя, предназначен­ного для регулирования напряжения и тока потребителя. Изме­нение величины индуктивного сопротивления в различных кон­струкциях дросселей осуществляется различными путями.

Дроссели с секционированной обмоткой. На рис. 19, б пока­зана схема регулировочного дросселя с секционированной обмоткой. Изменение величины индуктивности такого дросселя осуществляется путем включения в цепь различ­ного числа витков обмотки, для чего служит переключатель П. Точность и диапазон регулирования будут тем больше, чем больше отводов имеет обмотка.

а

Рисунок 19 Схемы регулирования с помощью индуктивных сопротивлений:

а - схема включения регулировочного дросселя;

б - схема вклю­чения регулировочного дросселя с секционированной

обмоткой.

Автотрансформаторы и трансформаторы просты по устройству, надежны в работе, обладают высоким КПД и большим коэффициентом мощности. Благодаря этим свойствам они нашли широкое применение для регулирования напряжения в цепях переменного тока.

Регулирующая способность автотрансформаторов и трансфор­маторов основана на изменении соотношения между напряжениями, действующими в первичных и вторичных обмотках, что достига­ется изменением коэффициента трансформации.

Отличительной особенностью автотрасформаторов от трансфор­маторов служат общие для первичной и вторичной цепей витки обмотки. Если напряжение во вторичной цепи мало отличается от напряжения сети, т. е. коэффициент трансформации близок к единице, то результирующий ток в общих витках обмотки будет иметь величину, значительно меньшую, чем каждый из токов в отдельности.

По этой причине общие для первичной и вторичной цепей витки обмотки можно мотать проводом с малым сечением. Это несомнен­ное преимущество автотрансформатора перед трансформатором, так как в случае намотки общей части обмотки тонким проводом уменьшаются вес обмоток и размеры автотрансформатора, а, сле­довательно, и его стоимость в сравнении со стоимостью трансфор­матора той же мощности.

При коэффициентах трансформации, близких к единице, авто­трансформатор может быть в два-три раза легче и меньше трансформатора той же мощности. Преимущества автотрансформаторов в весе и габаритах сохраняются и при всех других значениях коэффициента трансформации, хотя и в меньшей степени. Поэтому трансформаторы целесообразно использовать только в тех слу­чаях, когда необходимо отсутствие электрической связи между питающей сетью и цепью потребителя. Во всех остальных случаях выгоднее использовать автотрансформаторы.

Рисунок 20 Принципиальная схема автотрансформатора типа КАТ

В различных конструкциях регулировочных автотрансформа­торов и трансформаторов изменение величины коэффициента тран­сформации достигается разными путями. Наибольшее распростра­нение получили трансформаторы и автотрансформаторы с сек­ционированными обмотками, вариаторы, автотрансформаторы с короткозамкнутой подвижной обмоткой и трансформаторы с регулируемым магнитным шун­том.

 

Стабилизаторы напряжения и тока с нелинейными элементами

Одни потребители электрической энергии для нормальной ра­бом требуют стабильного напряжения, а другие, например ксеноновые лампы, требуют стабильности питающего их тока. По этой причине вопросы стабилизации напряжения и тока имеют большое практическое значение.

Разберем сущность работы стабилизаторов напряжения и тока.

Изменения в режиме работы приемников электрической энер­гии, вызывающие необходимость в стабилизации, могут иметь мес­то в трех случаях:

1) при неизменном сопротивлении потребителя изменения напряжения и тока могут быть вызваны изменением питающего напряжения;

2) при неизменном питающем напряжении изменения тока и напряжения потребителя могут вызываться из­менением величины его сопротивления;

3) изменения тока и на­пряжения потребителя могут быть вызваны одновременными из­менениями питающего напряжения и сопротивления потреби­теля.

Стабилизация во всех случаях может быть осуществлена толь­ко с помощью элементов, обладающих нелинейной электрической характеристикой, т. е. элементов, не подчиняющихся закону Ома. Два возможных варианта такой электрической характерис­тики изображены на рис. 21, а и б. Свойства электрической цепи, содержащей нелинейный элемент НЭ и некоторое добавочное со­противление R (рис. 22 ), можно пояснить графическим мето­дом. Для этого помимо характеристики нелинейного элемента следует изобразить характеристику сопротивления R, отложив ее от точки, соответствующей приложенному к цепи напряжению U₀. Рабочая точка N (рис. 21, а и б) режима цепи определится пересечением характеристик.

Если теперь изменим напряжение питания на величину ∆ U₀, то рабочая точка займет новое положение - N'. При этом на нели­нейном элементе с электрической характеристикой, изображенной на рис. 21, а, мало изменится напряжение, а на нелинейном элементе с характеристикой, изображенной на рис. 21, б, будет не­значительное изменение тока.

Следовательно, нелинейный элемент с электрической харак­теристикой первого типа (рис. 21, а) может быть использован для стабилизации напряжения на сопротивлении потребителя (Z_H), если последний подключить параллельно нелинейному эле­менту). Элемент с электрической характеристикой второго типа (рис. 21, б) может быть использован для стабилизации тока, если нагрузочное сопротивление будет включено последовательно с нелинейным элементом.

Рисунок 21 Электрические характеристики нелинейных элементов, пригодных: а — для стабилизации напряжения;

б — для стабилизации тока

 

Рисунок 22 Схема включения нелинейного элемента с добавочным сопротивлением для стабилизации напряжения

Нетрудно заметить, что эффективность стабилизации напря­жения тем больше, чем больше рабочий участок электрической характеристики стабилизирующего элемента приближается к вер­тикальной линии. Подобной характеристикой обладает, например, газоразрядная лампа.

Для стабилизации тока желательно иметь стабилизирующий элемент с электрической характеристикой, приближающейся в рабочем диапазоне к горизонтальной прямой. Такой характери­стикой обладает, например, стабилитрон.

Отношение ∆U/∆I - для данной рабочей точки характеристики называется динамическим сопротивлением нелинейного элемента. Для стабилизаторов напряжения желательно иметь нелинейные элементы с динамическим сопротивлением близким к нулю, а для стабилизаторов тока желательно, чтобы динамическое со­противление стремилось к бесконечности.

Для оценки эффективности стабилизатора служит коэффи­циент стабилизации. Он определяется как отношение относительных изменений переменного параметра к относитель­ным изменениям стабилизируемого параметра. Если за пере­менный параметр принять напряжение питания U₀, то для слу­чая стабилизации напряжения коэффициент стабилизации

Кроме коэффициента стабилизации эффективность работы стабилизаторов напряжения и тока оценивается диапазоном ста­билизации, КПД и инерционностью устройства.

Диапазоном стабилизации называется ин­тервал изменения переменного параметра, в пределах которого относительные изменения стабилизируемого параметра не пре­вышают заданных значений.

Инерционность стабилизатора оценивается време­нем, по истечении которого стабилизатор реагирует на изме­нения переменного параметра.

Стабилизаторы переменного тока дополнительно характери­зуются коэффициентом мощности и коэффициентом искажения формы кривой, а стабилизаторы постоянного тока - выходным сопротивлением и коэффициентом фильтрации.