Электромеханический стабилизатор сетевого напряжения

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Стабилизаторы переменного тока

Опубликовано: 24.03.2017 14:54

Просмотров: 3455

И. ГОРДЕЕВ, г. Новоуральск Свердловской обл.
Пока стабильность напряжения в электрических сетях оставляет желать лучшего, весьма актуальна тема самодельных стабилизаторов переменного напряжения. Об этом уже опубликовано множество статей с описаниями конструкций разной сложности. Основной элемент большинства стабилизаторов — автотрансформатору который может иметь отводы или подвижный контакт. В первом случае система управления стабилизатора должна выбрать отвод, в результате чего выходное напряжение может изменяться только ступенчато. Во втором случае, к которому относится предлагаемое устройство, возможна плавная регулировка выходного напряжения.

Стабилизатор предназначен для использования в условиях в основном пониженного напряжения питающей электрической сети. Такое явление обычно для дачных поселений. На моём участке напряжение не бывает выше 210 В в будние дни. Вечером и в выходные — 170... 190 В с провалами до 150 В.
Похожий по исполнительному механизму стабилизатор описан в статье А. Евсеева "Электромеханический стабилизатор напряжения" в "Радио", 1997, № 3, с. 46, 47. В нём применена система управления на основе цифровых микросхем-компараторов: выходное напряжение корректируется лишь тогда, когда оно выходит за допустимые пределы (±3 %). В предлагаемом стабилизаторе реализована аналоговая система управления по возмущающему действию, в результате чего достигнута более высокая точность стабилизации выходного напряжения (±5 В, что составляет ±2,3 %).
Основные технические характеристики
Минимальное  входное  напряжение, В…………..100
Максимальное  входное напряжение, В.................240
Минимальное выходное напряжение, В.................215
Максимальное выходное напряжение, В...............225
Максимальный ток нагрузки, А.....................................8
Схема стабилизатора напряжения показана на рис. 1.
 
 Регулируемый автотрансформатор Т1 включён "наоборот". Традиционно напряжение сети подают на отвод "~220 В", а выходное напряжение снимают с подвижного контакта-щётки относительно общего провода — начала обмотки "~0 В". В предлагаемом устройстве напряжение сети подаётся на участок обмотки между началом её (~0 В) и подвижным контактом-щёткой, а выходное — снимают с выводов "~0 В" и "~220 В". Преимущество такого включения — возможность получить выходное напряжение 220 В при существенном уменьшении напряжения сети (до 100 В), чего нельзя достичь при традиционном включении.
Резистор R1 уменьшает импульс пускового тока при включении вилки ХР1 в сеть. Напряжение рассогласования снимается с диагонали моста, образованного резисторной цепью R2R5, тремя последовательно соединёнными лампами накаливания EL1—EL3 и секциями обмотки ~0...15 В и ~15...30 В автотрансформатора. Сопротивление подстроечного резистора R2 установлено при налаживании так, что при номинальном выходном напряжении суммарное сопротивление R2+R5 равно суммарному сопротивлению ламп EL1—EL3. В этом случае напряжение рассогласования равно нулю. Если выходное напряжение увеличивается больше номинального, сопротивление ламп возрастает, напряжение рассогласования увеличивается синфазно напряжению на обмотке автотрансформатора. Если выходное напряжение снижается меньше номинального, сопротивление ламп уменьшается, напряжение рассогласования возрастает противофазно напряжению на обмотке автотрансформатора.
Напряжение рассогласования последовательно усиливается двумя одинаковыми усилителями на ОУ DA1.1 и DA1.2. Цепь отрицательной обратной связи каждого каскада — параллельно соединённые резистор и конденсатор (R9 и СЗ в цепи DA1.1, R11 и С6 в цепи DA1.2), подобранные так, что сопротивление резистора равно реактивному сопротивлению конденсатора на частоте сети 50 Гц. Поэтому каждый усилитель каскада сдвигает фазу сигнала на 45°. В результате выходное напряжение сдвинуто по фазе на 90° по отношению к входному. Это напряжение через эмит-терный повторитель на транзисторах VT1 и VT2 подаётся на обмотку I реверсивного серводвигателя М1. На его обмотку II подано напряжение с части обмотки автотрансформатора Т1, совпадающее по фазе с сетевым.
Когда выходное напряжение больше номинального, ротор двигателя вращается и передвигает подвижный контакт автотрансформатора в одном направлении, а когда меньше — в другом, до тех пор, пока напряжение на обмотке I не уменьшится до значения, при котором вращающий момент не станет меньше момента торможения. При этом на выходе стабилизатора устанавливается напряжение, близкое к номинальному сетевому. Диоды VD7 и VD8 ограничивают напряжение на входе ОУ DA1.1 в момент включения устройства, когда напряжение питания микросхемы DA1 ещё не установилось, а лампы EL1 — EL3 имеют низкое "холодное" сопротивление. В установившемся режиме из-за действия системы автоматического управления напряжение на входе ОУ DA1.1 мало, диоды VD7 и VD8 закрыты и не влияют на процесс регулирования напряжения.
Большинство деталей смонтированы на макетной плате с отверстиями (рис. 2).
 
 Автотрансформатор Т1 — ЛАТР-220/127В с номинальным током нагрузки 9 А. М1 — электродвигатель СД-54. Он имеет две одинаковые обмотки, условно обозначенные на схеме I и II. Каждая обмотка состоит из четырёх одинаковых секций, соединённых последовательно. Обмотка I, подключённая к эмиттерам транзисторов VT1 и VT2, доработана: её секции разделены и соединены синфазно параллельно. Электродвигатель М1 имеет редуктор. Автор переставил шестерни редуктора, увеличив номинальную скорость вращения с 2,24 до 60 об/мин, в результате чего повышено быстродействие устройства. При повторении конструкции эту операцию выполнять необязательно.
Резистор R1 — ПЭВ. Остальные постоянные резисторы — МЛТ. Подстроечный резистор R2 — многооборотный СП5-14 номинальной мощностью 1 Вт. Конденсаторы С1 и С2 — оксидные алюминиевые, остальные — плёночные или керамические. Вместо автоматического выключателя SF1 можно установить контактор с кнопками "ВКЛ" и "ОТКЛ" с тем же номинальным током, но тогда в цепи нагрузки надо установить предохранитель.
К операционным усилителям не предъявляется никаких требований, кроме работоспособности при напряжении питания ±15 В. Автор применил микросхему К1401УД2А (DA1), содержащую четыре ОУ, намереваясь использовать их все при разработке устройства. Но два из них остались неиспользованными. Их неинвертирующие входы (выводы 5 и 10) соединены с внутренним общим проводом устройства — точкой соединения конденсаторов С1 и С2, а инвертирующие входы (выводы 6 и 9) — с выходами (выводами 7 и 8 соответственно). Разумеется, можно применить микросхему с двумя ОУ, например, LM358N или её отечественный аналог КР1040УД1.
При налаживании вначале отключают обмотку I электродвигателя М1 от эмиттеров транзисторов VT1 и VT2. Подвижный контакт автотрансформатора Т1 устанавливают в верхнее по схеме положение, размыкают автоматический выключатель SF1. Затем включают устройство в сеть вилкой ХР1 и замыкают выключатель SF1. К контактам розетки XS1 подключают вольтметр переменного тока. Перемещают подвижный контакт автотрансформатора Т1 "вниз" по схеме до установления в розетке XS1 напряжения -220 В. После этого подключают вольтметр к выходу узла управления — эмиттером транзисторов VT1 и VT2 относительно отвода "~15 В" автотрансформатора Т1 и подстроечным резистором R2 устанавливают на вольтметре напряжение, близкое к нулю.
Далее подключают обмотку I электродвигателя М1 к эмиттерам транзисторов VT1 и VT2. Сдвигают подвижный контакт автотрансформатора Т1 в любую сторону. При правильном подсоединении обмоток электродвигателя М1 подвижный контакт автотрансформатора Т1 вернётся в прежнее положение. В противном случае подвижный контакт продолжит движение в том же направлении. В этом случае следует отключить устройство от сети и поменять местами выводы любой обмотки электродвигателя М1. Завершают налаживание установкой подстроечным резистором R2 требуемого выходного напряжения, необязательно равного -220 В.
С устройством работают так. Перед каждым включением устройства в сеть вилкой ХР1 необходимо проверить, что SF1 выключен и нагрузка отключена, желательно установить подвижный контакт автотрансформатора Т1 в верхнее по схеме положение. После включения вилки ХР1 в сеть система управления перемещает подвижный
контакт автотрансформатора Т1 до тех пор, пока на выходе не будет установлено напряжение, близкое к требуемому. В экземпляре автора переходный процесс системы управления продолжается не более двух секунд. После этого можно замкнуть SF1 и подключить нагрузку. Если нагрузка выдерживает пониженное напряжение питания в течение переходного процесса работы системы управления, то её можно не отключать от стабилизатора.
Внешний вид устройства показан на рис. 3.
 
 Стабилизатор эксплуатируется автором в течение четырёх лет в условиях нестабильного напряжения сети. За это время замечаний к его работе не было.
Радио №4  2012