Електромагнітні стабілізатори

Сучасні вимірювальні, керувальні і обчислювальні схеми вимагають для забезпечення нормальної роботи достатньо жорсткої сталості напруги (струму) живлення, що може бути забезпечене, як правило, тільки за допомогою спеціальних функціональних елементів — стабілізаторів.

Таким чином, стабілізатор це пристрій, що забезпечує підтримку вихідної величини Y на визначеному постійному, заздалегідь заданому рівні, при зміні вхідної величини Х у достатньо широких межах. Основним параметром, який характеризує якість підтримки сталості вихідної величини, є інтегральний коефіцієнт стабілізації image002, а ідеальною функціональною залежністю вхід-вихід – пряма, що паралельна осі абсцис.

image004

Рис.3.3.1 Схеми параметричної стабілізації

Як стабілізувальний може бути використаний такий елемент, який забезпечує необхідну залежність хоча б у визначеному діапазоні зміни вхідної величини.

Як було відзначено в 3.1, для нелінійного елемента типу «а» характерна мала зміна струму при зміні напруги на ньому в достатньо широких межах. Це дозволяє використовувати елемент типу «а» для стабілізації струму в навантаженні, що, очевидно, повинно бути з’єднане в цьому випадку послідовно з елементом (рис.3.3.1,а).

Оскільки для елемента типу «б» характерна зворотна залежність, тобто мала зміна напруги при значній зміні струму, застосування цього елемента дозволяє стабілізувати напругу на навантаженні, при його під’єднанні паралельно елементу (рис.3.3.1,б). У цьому випадку послідовно з елементом «б» необхідно під’єднати додатковий лінійний опір, який приймає на себе коливання напруги живлення.

Очевидно, що найпростіший стабілізатор на магнітонасиченому елементі, як типовому представнику елемента типу «б», можна одержати, під’єднавши дросель і навантаження за схемою рис.3.3.2,а. У цьому випадку в залежності від характеру кривої намагнічування (вольт-амперної характеристики, рис.3.3.2,б) буде забезпечений той або інший ступінь стабілізації напруги на навантаженні в більш-менш широкому діапазоні.

image006

Рис.3.3.2 Схема найпростішого стабілізатора на магнітонасиченому дроселі (а)

та його вольт-амперна характеристика (б)

Чим менша напруженість поля насичення і величина магнітної проникності матеріалу за «коліном» кривої намагнічування, тим вища якість стабілізації. Схема рис.3.3.2, а через великі активні втрати на баластному опорі R має низький коефіцієнт корисної дії і не дозволяє одержати на навантаженні напругу, яка б значно відрізнялася від напруги мережі.

Рис. 3.3.3 Трансформаторна схема стабілізатора (а) і її вольт-амперна характеристика (б)

image008

Більш досконалою є трансформаторна схема, в якій використовується як баластний опір лінійна індуктивність, що створюється первинною обмоткою ненасиченого трансформатора. Схема дозволяє одержати за допомогою зміни числа витків обмоток насиченого трансформатора практично будь-яку, відмінну від напруги мережі напругу на навантаженні (рис.3.3.3).

Використовуючи баластну обмотку як первинну обмотку компенсувального трансформатора, напруга якої діє в протифазі з основною, можна одержати більш високу якість стабілізації.

Дійсно, якщо вибрати коефіцієнт трансформації ненасиченого трансформатора так, щоб кут нахилу його вольт-амперної характеристики дорівнював куту нахилу вольт-амперної характеристики насиченого трансформатора, тоді коливання напруги в робочій зоні будуть значно менші.

image010

Рис.3.3.4. Різновиди схем стабілізаторів на магнітонасиченому дроселі

До недоліків розглянутих найпростіших схем відносяться: низький ККД (який не перевищує 60%), різке спотворення форми кривої напруги на навантаженні і значна залежність коефіцієнта стабілізації від навантаження.

Тому такі схеми мають обмежене застосування, значно поступаючись резонансним схемам.

Як було показано, послідовне з’єднання магнітонасиченого елемента і конденсатора дозволяє одержати вольт-амперну характеристику, приведену на рис.3.3.5,а. Оцінюючи дану характеристику з погляду придатності елемента для стабілізації можна відзначити три яскраво виражених зони: І — пропорційної залежності струму від напруги; ІІ-порівняно малих коливань напруги при зміні струму; ІІІ-порівняно малих коливань струму при зміні напруги.

image012

Рис. 3.3.5 Вольт-амперні характеристики послідовного (а)

та паралельного (б) ферорезонансних контурів

Таким чином, у зоні ІІ послідовний ферорезонансний контур має характеристику типу «б» ( стабілізація напруги), а в зоні ІІІ — характеристику типу «а» ( стабілізація струму).

Якщо конденсатор під’єднати паралельно до дроселя (паралельний ферорезонансний контур), то вольт-амперна характеристика набуває вигляду, приведеного на рис.3.3.5,б. У цьому випадку також можна виділити три зони: І — пропорційної залежності; ІІ — залежності типу «а» (стабілізації струму); ІІІ — залежності типу «б» (стабілізації напруги).

Таким чином, і послідовний, і паралельний ферорезонансні контури можуть бути використані в залежності від обраної робочої зони як стабілізувальний елемент типу «а», чи типу «б».

Через обмеженість зони ІІ звичайно за робочу зону ферорезонансного контуру приймають зону ІІІ. Оскільки частіше усього ферорезонансні контури застосовують для стабілізації напруги, більш широке поширення одержала схема паралельного з’єднання конденсатора і дроселя. Ця схема крім ефективного використання ємності, накопичена енергія якої пропорційна напрузі на ній, дозволяє одержати порівняно добру форму кривої напруги на навантаженні.

Роздивимося роботу схеми стабілізатора з паралельним ферорезонансним контуром, приведену на рис.3.3.6,а. Послідовно з ферорезонансним контуром з’єднаний ненасичений трансформатор, первинна обмотка якого виконує роль лінійного баластного опору, а вторинна – компенсаційної обмотки.

Коливання напруги мережі, які сприймаються в основному баластною обмоткою, позначаються на величині компенсаційної напруги, завдяки чому напруга на навантаженні підтримується постійною на усьому робочому діапазоні (див. характеристику на рис.3.3.6,б). Як насичений трансформатор використовується автотрансформатор, який дозволяє підняти напругу на конденсаторі. Це дає можливість зменшити його габарити. Необхідна величина напруги на навантаженні забезпечується вибором місця відпайки вихідного кола. При необхідності електричного роз’єднання кіл навантаження і живлення використовується трансформаторна схема (рис.3.3.6,в).

image014

Рис.3.3.6. Схема ферорезонансного стабілізатора (а), її вольт-амперна характеристика (б),

та трансформаторна схема (в)

image003

Рис.3.3.7. Ферорезонансний стабілізатор із поліпшеною формою кривої напруги й

зменшеною залежністю від коливань частоти

Поліпшення форми кривої напруги на навантаженні досягається шляхом ділення ємності на частини, кожна з яких спільно з під’єднаною послідовно індуктивною котушкою (рис.3.3.7,а) утворить фільтр однієї з непарних гармонік ( 3, 5 і т.д.).

Розглянуті схеми ферорезонансних стабілізаторів мають підвищену чутливість до коливань частоти напруги живлення. Зміна частоти на 1% призводить до 1-1,5%-ної зміни напруги на навантаженні. Для запобігання цьому можна під’єднати паралельно wб конденсатор (рис.3.3.7,а) або паралельний LC-контур на виході (рис. 3.3.7,б), що компенсують зміну індуктивного опору зі зміною частоти.

Ферорезонансні стабілізатори зазвичай забезпечують підтримку вихідної напруги з точністю 1% і вище при коливаннях вхідної напруги в діапазоні ±30%.

Якість стабілізації погіршується при зміні значення і характеру навантаження.

Васюра А.С. – книга “Елементи та пристрої систем управління автоматики”

Оставьте комментарий к статье