Стабилизация напряжения. Назначение. Основные характеристики. Параметры стабилизации постоянного и переменного токов

Надежная и бесперебойная работа устройств автоматики, теле­механики и связи зависит от качества питающего напряжения. Это напряжение на выходе выпрямительных устройств преобразова­телей или аккумуляторных батарей под воздействием дестабилизи­рующих факторов может изменяться в значительных пределах. К основным дестабилизирующим факторам можно отнести: изме­нения напряжения питающей сети, сопротивления нагрузки и тем­пературы окружающей среды. Для обеспечения постоянства пи­тающего напряжения, поддержания его в заданных пределах при­меняют регулирующие устройства и стабилизаторы напряжения. В них используют противоэлементы, вольтодобавочные аккумуля­торы, угольные регуляторы, тиристоры, дроссели насыщения, вольтодобавочные трансформаторы, феррорезонансные и полу­проводниковые стабилизаторы.

По роду напряжения (тока) все стабилизаторы можно разделить на два типа - постоянного или переменного тока. Стабилизаторы напряжения и тока характеризуются рядом основных параметров.

Номинальное входное напряжение U_вх – это напряжение источ­ника энергии, при котором через стабилизатор питается нагрузка номинальным током. На каждый стабилизатор задаются пределы изменения входного напряжения U_{вх max}, U_{вх min}, при которых он обеспечивает требуемые выходные параметры. Отклонения вход­ного напряжения обычно выражают в относительных величинах (проценты) или в виде дроби ; .

Из этих соотношений можно определить максимальное и мини­мальное входные напряжения: ; .

Номинальное выходное напряжение U_H -это напряжение на выходе стабилизатора, подводимое к питаемой нагрузке. Для регу­лируемых стабилизаторов напряжения обычно указывают макси­мальное U_{H max} и минимальное U_{H min} выходные напряжения, тогда диапазон регулирования выходного напряжения стабилизатора

.

Относительная нестабильность выходного напряжения δ_U, харак­теризует допустимые отклонения стабилизированного напряжения от номинального DU_н при изменении входного напряжения U_ВХ (сопротивление нагрузки постоянно) .

Относительная нестабильность по току δ_I характеризует откло­нения стабилизированного напряжения от номинального при изме­нении тока нагрузки I_н (входное напряжение постоянно), %: .

Коэффициент нестабильности по напряжению (5.1)

Коэффициент нестабильности по току нагрузки (5.2)

Параметры δ_U, δ_I, K_{HC U}, K_{HC I} отличаются друг от друга только оценкой нестабильности по напряжению или току (абсолютная или относительная), но выражают одно и то же физическое содержание.

Коэффициент стабилизации К_{ст U}, характеризующий стабиль­ность выходного напряжения U_Н, при изменении входного напряже­ния U_вх показывает, во сколько раз напряжение на выходе стабили­затора при постоянной нагрузке изменяется меньше относительно изменений на входе (5.3)

Коэффициент стабилизации К_{ст I} для стабилизатора тока по входному напряжению при постоянной нагрузке показывает, во сколько раз относительное изменение тока нагрузки меньше выз­вавшего его относительного изменения напряжения на входе

Выходное сопротивление стабилизатора R_вых определяется как отношение изменения напряжения на выходе стабилизатора к изме­нению тока нагрузки .

Температурный коэффициент напряжения характеризует степень стабильности выходного напряжения .

Коэффициент полезного действия стабилизатора определяется отношением полезной мощности, выделяемой на нагрузке, к мощ­ности, потребляемой им от выпрямительного устройства, .

Напряжение пульсаций U_НП-уровень переменной составля­ющей выходного напряжения, оцениваемый в средних квадра­тичных значениях или в процентах относительно напряжения .

Коэффициент искажения формы кривой К_ф служит показателем оценки качества стабилизаторов переменного напряжения, характеризующих искажение формы кривой на выходе. Данный коэффи­циент определяется отношением действующего значения тока или напряжения первой гармоники к действующему значению суммы всех составляющих тока или напряжения ; .

Коэффициент мощности сов ср характеризует реактивные потери и определяется отношением активной мощности Р, потребляемой стабилизатором, к полной мощности S, подводимой к нему от сети или другого источника переменного тока: .
21. Тиристорные регулируемые выпрямители.

Плавное регулирование напряжения можно осуществить как по переменному току, так и в процессе преобразования переменного тока в постоянный. Регулирование по переменному току возможно с помощью транс­форматоров с подвижным магнитным шунтом, а также с помощью автотрансформаторов с короткозамкнутой обмоткой, что связано с дополнительными потерями на регулирующем элементе. Более экономичным является управление тиристорами при выпрямлении переменного тока в постоянный. Тиристорные выпрямители подразделяют на однополупериодные, двухполупериодные и мостовые.

В двухполупериодной схеме управляющие электроды (катоды) тиристоров VS 1 и VS 2 присоединены к системе управления СУ выпрямителя. Эта система синхронно с выпрямляемым пере­менным напряжением формирует импульсы, фаза которых может регулироваться относительно напряжений на вторичных обмотках трансформатора u₂₁ и u₂₂ (рисунок 5.2, б). Тиристоры VS1 и VS2 открываются поочередно при поступлении на них положительных полуволн выпрямленного напряжения и импульсов управления, сдвинутых по фазе относительно этого напряжения.

Рисунок 5.2 – Схема двухполупериодного тиристорного выпрямителя (а)

и кривые изменения напряжения и токов (б и в)

Угол сдвига по фазе между выпрямляемым напряжением и импульсами управления называется углом регулирования или углом запаздывания α.

При положительной полуволне напряжения u₂₁ в интервале времени t₀ —t₁ тиристор VS1 закрыт, ток через него не протекает и напряжение на нагрузке U_Н равно нулю. В момент времени t₁ = α/ω при подаче управляющего импульса VS1откроется и через него потечет ток i_S1 (рисунок 5.2, в). Напряжение на нагрузке возрастает скачкообразно до напряжения и₂₁(t₁). За время t₁ — t₂ напряжение на нагрузке изменится так же, как и напряжение u₂₁. В момент времени t₂ = π/ω тиристор VS1 закроется (меняется полярность напряжения u₂₁). В интервале времени t₂ — t₃ положительная полу­волна напряжения u₂₂ приложена к тиристору VS2, а напряжение на нагрузке U_н = 0, так как тиристор VS2 закрыт.

При подаче импульса от СУ в момент времени t₃ тиристор VS2 откроется и через него потечет ток i_S2. Напряжение на нагрузке возрастет до напряжения u₂₂ (t₃) и за время t₃ — t₄ будет изменяться так же, как и напряжение u₂₂. В дальнейшем процессы будут повторяться.

Из диаграммы видно, что, изменяя угол запаздывания α, можно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения U₀. При этом чем больше угол α, тем меньше U₀.

Рисунок 5.3 – Схема тиристорного выпрямителя с реактивной нагрузкой и «нулевым диодом»

При работе схемы выпрямления на емкостную нагрузку в мо­мент включения тиристора возникают большие броски тока, кото­рые могут вывести его из строя. Для их снижения на выходе выпрямителя включают дроссель L(рисунок 5.3), который вместе с кон­денсатором С образует фильтр низкой частоты (ФНЧ), уменьшаю­щий пульсации выпрямленного напряжения. При снижении напря­жения u₂₁ в первичной полуобмотке трансформатора Т э. д. с. самоиндукции дросселя препятствует снижению тока в цепи нагруз­ки. Тогда в момент времени t₂ = π/ω, когда напряжение и₂₁ =0, ток тиристора i _S1 ≠ 0 за счет явления самоиндукции и обратного напряжения, приложенного к открытому тиристору VS1. При этом через нагрузку будет протекать ток, обратный прямому току ти­ристора, VS 2. Тогда ток тиристора VS1 будет равен нулю не в момент времени t₂ = π/ω, а в момент времени t₃ = (π+α)/ω. Аналогично будет работать и тиристор VS 2. Ток i_S2, протекающий через него, будет равен нулю в момент времени t₅ = (2π+α)/ω.

Для изменения среднего значения выпрямленного напряжения от максимального до минимального угол α нужно изменять от 0 до π.

Для получения непрерывного (не снижающегося до нуля) вы­прямленного напряжения необходимо индуктивность дросселя по­добрать такой, чтобы тиристор каждой из полуобмоток был открыт до тех пор, пока не начнет работать вторая полуобмотка. Такое возможно, если ток дросселя к моменту открывания второго тиристора положителен и напряжение, получаемое в момент вклю­чения второй полуобмотки, больше напряжения на конденсаторе С. Угол регулирования при этом должен быть α > 32,5°. Условие непрерывности тока в дросселе и, следовательно, в нагрузке опре­деляется из соотношения ωL/R > tg α. Это условие будет выполнено, если индуктивность дросселя будет выбрана больше критической L кр = R·tg α /ω или сопротивление нагрузки не превышает значения Rmax = ωL/tg α.. Если индуктивность выбрана больше критической, то снижается и уровень пульсаций. Увеличение угла регулирования а при неизменной индуктивности увеличивает разность фаз между током и напряжением, что ведет к большему потреблению реактив­ной мощности из сети и снижает коэффициент мощности.

Показатели данной схемы могут быть значительно улучшены, если включить дополнительно так называемый «нулевой диод» VD, благодаря которому исключается зависимость момента закрывания тиристоров от индуктивности дросселя и сопротивления нагрузки.

При открывании тиристора VS1 через нагрузку R_н протекает ток, заряжая конденсатор С. В момент времени t ₂ —π /ω (см. рисунок 5.2, б) тиристор VS1закрыт. До момента времени t₃ = (π+α)/ω закрыт и тиристор VS2, так как в интервале времени t₂ — t_э к нему приложено обратное напряжение с катушки индуктивности (за счет самоиндукции), которое в интервалах времени t ₀ — t₁ ; t₂ — t₃ ; t₄ — t ₅ обеспечит протекание тока в нагрузке. При этом ток протекает по цепи L, R_н и VD(см. рисунок 5.3). Тогда независимо от катушки индуктивности тиристоры будут закрываться в моменты времени t ₂,, t₄ и т.д. Таким образом, диод VDисключает влияние катушки индуктивности на моменты закрывания тиристоров. Они будут закрываться, когда напряжение в полуобмотках трансформатора Т снижается до нуля. Угол закрывания тиристоров равен π. Уровень переменной составляющей также снижается, кроме того, значитель­но уменьшаются реактивные потери.

Мостовые схемы регулируемых тиристорных выпрямителей по электрическим характеристикам почти совпадают с двухполупериодными, за исключением величины и формы тока во вторичной обмотке трансформатора. Следовательно, выпрямленное напряже­ние и амплитуда пульсации в мостовых схемах определяются теми же соотношениями, что и в двухполупериодных схемах.

Общей особенностью всех тиристорных выпрямителей является: потребление не только активной, но и реактивной мощности от сети переменного тока; при изменении угла регулирования от 0 до π выходное напряжение уменьшается от максимального до мини­мального (до нуля); пульсации выпрямленного напряжения увели­чиваются с ростом угла регулирования; изменение выходного на­пряжения в них достигается изменением отбора мощности от сети переменного тока и не связано с гашением ее в выпрямителе, что является основным их достоинством.