Стабилизаторы в цепях переменного тока

Бесплатная техническая библиотека:
▪ Все статьи А-Я
▪ Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
▪ Новости науки и техники
▪ Архив статей и поиск
▪ Ваши истории из жизни
▪ На досуге
▪ Случайные статьи
▪ Отзывы о сайте

Справочник:
▪ Большая энциклопедия для детей и взрослых
▪ Биографии великих ученых
▪ Важнейшие научные открытия
▪ Детская научная лаборатория
▪ Должностные инструкции
▪ Домашняя мастерская
▪ Жизнь замечательных физиков
▪ Заводские технологии на дому
▪ Загадки, ребусы, вопросы с подвохом
▪ Инструменты и механизмы для сельского хозяйства
▪ Искусство аудио
▪ Искусство видео
▪ История техники, технологии, предметов вокруг нас
▪ И тут появился изобретатель (ТРИЗ)
▪ Конспекты лекций, шпаргалки
▪ Крылатые слова, фразеологизмы
▪ Личный транспорт: наземный, водный, воздушный
▪ Любителям путешествовать — советы туристу
▪ Моделирование
▪ Нормативная документация по охране труда
▪ Опыты по физике
▪ Опыты по химии
▪ Основы безопасной жизнедеятельности (ОБЖД)
▪ Основы первой медицинской помощи (ОПМП)
▪ Охрана труда
▪ Радиоэлектроника и электротехника
▪ Строителю, домашнему мастеру
▪ Типовые инструкции по охране труда (ТОИ)
▪ Чудеса природы
▪ Шпионские штучки
▪ Электрик в доме
▪ Эффектные фокусы и их разгадки

Техническая документация:
▪ Схемы и сервис-мануалы
▪ Книги, журналы, сборники
▪ Справочники
▪ Параметры радиодеталей
▪ Прошивки
▪ Инструкции по эксплуатации
▪ Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Бесплатный архив статей
(500000 статей в Архиве)

Алфавитный указатель статей в книгах и журналах

Бонусы:
▪ Ваши истории
▪ Викторина онлайн
▪ Загадки для взрослых и детей
▪ Знаете ли Вы, что.
▪ Зрительные иллюзии
▪ Веселые задачки
▪ Каталог Вивасан
▪ Палиндромы
▪ Сборка кубика Рубика
▪ Форумы
▪ Голосования
▪ Карта сайта

Дизайн и поддержка:
Александр Кузнецов

Техническое обеспечение:
Михаил Булах

Программирование:
Данил Мончукин

Маркетинг:
Татьяна Анастасьева

Перевод:
Наталья Кузнецова

При использовании материалов сайта обязательна ссылка на https://www.diagram.com.ua

сделано в Украине

Вариант стабилизатора напряжения переменного тока

Вышел из строя стабилизатор переменного напряжения Mustek Power Mate 625. В процессе поиска причины неисправности оказалось, что схема прибора во многом аналогична схеме электронно-релейного регулятора, описанного Г. Гаджиевым в [1]. После ознакомления с другими публикациями в журнале «Радио» было решено не ремонтировать отказавший прибор, в котором для коммутации обмоток автотрансформатора применены электромагнитные реле, а попытаться изготовить стабилизатор на основе электронных коммутаторов [2-5]. За основу было взято устройство, описанное в [5].

Из-за отсутствия силового автотрансформатора с таким числом отводов, как у примененного автором в этом устройстве (у имеющегося у меня выводов намного меньше), схему пришлось немного изменить (рис. 1). Взамен шифратора на элементах микросхемы К561ЛП2 применен импортный шифратор CD4532B [6] в паре с дешифратором этой же серии CD4028B (аналог К561ИД1). От дополнительной стабилизации образцового напряжения с помощью параметрического стабилизатора (в прототипе — R4VD3) отказался — интегральный стабилизатор напряжения DA1 (из серии 7812) поддерживает на выходе напряжение во вполне приемлемых пределах.

Для более полного использования изменения амплитуды U_x (без потерь на масштабирование) применен стабилитрон VD1. Добавлено пороговое устройство на стабилитроне VD2 и транзисторах VT1, VT2, отключающее стабилизатор от сети при превышении допустимого значения напряжения. Для упрощения налаживания делители на входах компараторов, составленные из требующих подбора постоянных резисторов, заменены многооборотными подстроечными резисторами R7-R10. Симисторные ключи дополнены так называемыми снабберами (шунтирующими симисторы последовательными RC-цепями), предотвращающими ошибочные включения симисторов, которые могут произойти от сетевых помех. В остальном схема не отличается от описанной в [5].

Рис. 1. Схема устройства (нажмите для увеличения)

Примененный мною понижающий трансформатор Т2 имеет сетевую обмотку с двумя отводами и две вторичные (на 44 и 48 В) с отводами от середины. В стабилизаторе оставлены четыре канала управления (для города этого вполне достаточно). До окончательной сборки были сняты характеристики автотрансформатора при нагрузке мощностью 500 Вт в вариантах коммутации сети или нагрузки. Понижающие обмотки соединялись согласно с сетевой по схеме автотрансформатора. В первом варианте стабилизатора коммутировалась нагрузка без применения демпфирующих цепей. Стабилизатор работал, но сбоил (работа этого варианта со снабберными цепями не проверялась). В рабочем варианте выбрана коммутация обмоток с постоянным подключением нагрузки. В связи с ее индуктивным характером в каждом канале применена демпфирующая цепь (R27C7-R30C10).

В соответствии с техническими характеристиками микросхемы CD4028B максимальный выходной ток одного канала — 10 мА, в связи с чем применены оптосимисторы МОС3063 стоком включения не более 5 мА.

Для питания устройства и получения управляющего напряжения U_x использован отдельный трансформатор T1 с встроенным термопредохранителем RH01-83 (250 В, 2 A, 83 о С), обозначенным на схеме как FU2. FU1 — плавкая вставка в цепи первичной обмотки этого трансформатора, FU3 — восстанавливающийся предохранитель вышедшего из строя стабилизатора.

Типы стабилитронов VD1 и VD2 зависят от параметров трансформатора Т1 (в первую очередь, от его коэффициента трансформации). При максимальном «рабочем» напряжении сети (в данном случае 250 В) напряжение на подстроечном резисторе R11 относительно общего провода должно быть около 12 В (напряжение питания микросхем), а при минимальном — стабилитрон VD1 не должен выходить из режима стабилизации. В авторском устройстве при сетевом напряжении 250 В напряжение на выходе выпрямителя VD3 поднимается до 32 В, а при 170 В опускается до 24 В, поэтому в качестве VD1 применен стабилитрон КС520В (напряжение стабилизации — 19. 21 В). Для срабатывания защиты при напряжении в сети 260 В выбран стабилитрон КС210Ж (напряжение стабилизации — 9. 11 В).

Читайте так же:

Электронный стабилизатор тока это

Детали устройства смонтированы на трех печатных платах из фольгированного стеклотекстолита. Постоянные резисторы — любые малогабаритные, подстроечные — многооборотные проволочные (например, СП5-2), конденсатор С2 — КМ, С7-С10 — К73-17, остальные — оксидные импортные. Транзистор BC547С заменим любым из серии КТ3102, а BC557С — из серии КТ3107. Для коммутации обмоток трансформатора T2 желательно применить симисторы серии ВТА41, так как все их выводы изолированы от крепежного фланца, и это позволяет установить их без изоляции на общий теплоотвод, который необходим при мощности нагрузки более 300. 500 Вт. Вместе с трансформаторами T1, T2 платы размещены в корпусе вышедшего из строя стабилизатора Mustek Power Mate 625 (рис. 2).

Рис. 2. Стабилизатор Mustek Power Mate 625

Собранный стабилизатор поддерживает на питаемой нагрузке напряжение в пределах допускаемого отклонения от номинального значения (±10%) при изменении напряжения сети от 180 до 250 В. Примерное значение сетевого напряжения индицирует один из светодиодов HL3-HL6. При отклонении напряжения за указанные пределы нагрузка отключается, а на передней панели устройства светится один из светодиодов HL1, HL2, показывая, в какую сторону изменилось напряжение (соответственно велико оно или мало).

Если трансформатор позволяет, число каналов управления можно увеличить (увеличив соответственно число компараторов и симисторных ячеек). Работа и настройка устройства в основном не отличаются от описанных в статье [5].

Гаджиев Г. Электронно-релейный регулятор напряжения. — Радио, 2009, № 10, с. 23.
Годин А. Стабилизатор переменного напряжения. — Радио, 2005, № 8, с. 33-36.
Озолин М. Усовершенствованный блок управления стабилизатора переменного напряжения. — Радио, 2006, № 7, с. 34, 35.
Гаджиев Г. Оптосимисторный коммутатор мощной нагрузки. — Радио, 2010, № 10, с. 33.
Гаджиев Г. Стабилизатор напряжения переменного тока. — Радио, 2013, № 2, с. 20,21.
CMOS 8-Bit Priority Encoder. — URL: ti.com/product/CD4532B/technicaldocuments.

Смотрите другие статьи раздела Стабилизаторы напряжения.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

Стабилизаторы в цепи переменного тока

Требования, предъявляемые к стабилизаторам напряжения и, в частности, к допустимому отклонению напряжения электропитания потребителей промышленного и бытового назначения, определяются ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

По принципу действия стабилизаторы переменного тока можно классифицировать следующим образом:

· ступенчатые корректоры напряжения (стабилизаторы со ступенчатым регулированием);

· электромеханические стабилизаторы с электроприводом;

· стабилизаторы с подмагничиванием трансформатора;

· системы с двойным преобразованием энергии;

· высокочастотные транзисторные регуляторы (стабилизаторы с дискретным ВЧ регулированием).

1. Стабилизаторы напряжения со ступенчатым регулированием представляют наиболее широкий класс устройств, обеспечивающих поддержание выходного напряжения с определенной точностью. Принцип стабилизации основан на автоматической коммутации (переключении) секций (обмоток) автотрансформатора (или трансформатора) с помощью силовых ключей (реле, тиристоров, симисторов). В силу ряда достоинств, ступенчатые корректоры напряжения получили наибольшее распространение.

· широкий диапазон входного напряжения;

· возможность работы при холостом ходе;

· отсутствие искажения формы выходного напряжения;

· высокое значение КПД.

· ступенчатое изменение выходного напряжения, ограничивающее точность стабилизации.

2. Феррорезонансные стабилизаторы напряжения построены на основе использования феррорезонанса в нелинейном контуре трансформатор — конденсатор, который обеспечивает непрерывное регулирование выходного напряжения в определенных пределах изменения нагрузки. В настоящее время находят ограниченное применение из-за ряда недостатков.

· устойчивость к перегрузкам по напряжению и широкий диапазон температур;

· большой ресурс работы.

· искажение формы входного напряжения;

· недопустимость работы в режимах холостого хода и при перегрузках;

· зависимость выходного напряжения от частоты питающей сети;

· низкое значение КПД.

3. Электромеханические стабилизаторы напряжения представляют собой следящую систему с использованием электродвигателя, автотрансформатора и системы управления двигателем. Такие стабилизаторы позволяют непрерывно и плавно регулировать выходное напряжение без искажения синусоидальной формы.

· высокая точность регулирования;

· высокая перегрузочная способность;

· широкий диапазон регулирования.

· ограниченный срок службы при наличии требования по проведению периодических регламентных работ;

· наличие открытого скользящего электрического контакта, ограничивающее среду использования.

4. Стабилизаторы напряжения с подмагничиванием трансформатора основаны на компенсации изменения напряжения сети путем регулирования коэффициента трансформации за счет локального подмагничивания стержней автотрансформаторов со специально выполненным магнитопроводом и системой обмоток. Подмагничивание осуществляется с помощью тиристорного регулятора. Такие стабилизаторы характеризуются высокими перегрузочными способностями, но имеют ограниченный диапазон регулирования и существенный коэффициент искажения синусоидальной формы выходного напряжения по сравнению со ступенчатыми корректорами напряжения.

5. Стабилизаторы напряжения с двойным преобразованием энергии содержат выпрямитель и транзисторный инвертор с ШИМ управлением, обеспечивающий стабильное синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц. В настоящее время находятся в стадии промышленного освоения.

6. Стабилизаторы напряжения с высокочастотным транзисторным регулированием основаны на использовании быстродействующих силовых транзисторов, коммутируемых с высокой частотой на каждом периоде сетевого напряжения. Являются перспективным направлением в развитии стабилизаторов. В настоящее время находятся на стадии разработок, в промышленном производстве отсутствуют.

1. Стабилизаторы напряжения со ступенчатым регулированием

На рисунке изображена принципиальная схема тиристорного стабилизатора напряжения в цепи переменного тока с использованием пары встречно-параллельных тиристоров в первичной цепи трансформатора.

При высоких мощностях устройства используют шунтирующие диоды совместно с встречно-параллельными тиристорами, включенные в противоположном направлении. При этом возможно использование одной системы управления для отрицательной и положительной полуволны входного напряжения. Без шунтирующих диодов обязательно должны быть две разделенные системы управления для надежной работы схемы. Диоды обеспечивают непрерывное протекание тока в моменты перекоммутации и защищают ключи от обратного напряжения.

Временные зависимости для напряжений в схеме импульсного стабилизатора имеют вид:

Система управления формирует повторный импульс с небольшим интервалом для гарантированного включения тиристора. При сравнении напряжения обратной связи (Uос), снимаемого с нижнего плеча делителя R_¶₂ , с пилообразным напряжением изменяется фаза подачи управляющего импульса в соответствии с полярностью напряжения сети (a1 для положительной полуволны напряжения, a2 — для отрицательной). Частота пилообразного напряжения должна совпадать с частотой питающей сети для обеспечения синхронной работы схемы. Закрывание тиристоров обеспечивается подачей обратного напряжения на анод за счет смены полярности напряжения сети. Усилитель мощности (УМ) обеспечивает гальваническую развязку цепей и гарантирует надежное открывание тиристора за счет достаточной мощности управляющего сигнала.

Читайте так же:

Стабилизатор тока до 200 а

Стабилизаторы в цепи переменного тока

По принципу действия стабилизаторы переменного тока можно классифицировать следующим образом:

· ступенчатые корректоры напряжения (стабилизаторы со ступенчатым регулированием);

· электромеханические стабилизаторы с электроприводом;

· стабилизаторы с подмагничиванием трансформатора;

· системы с двойным преобразованием энергии;

· высокочастотные транзисторные регуляторы (стабилизаторы с дискретным ВЧ регулированием).

1 Стабилизаторы напряжения со ступенчатым регулированием представляют наиболее широкий класс устройств, обеспечивающих поддержание выходного напряжения с определенной точностью. Принцип стабилизации основан на автоматической коммутации (переключении) секций (обмоток) автотрансформатора (или трансформатора) с помощью силовых ключей (реле, тиристоров, симисторов). В силу ряда достоинств, ступенчатые корректоры напряжения получили наибольшее распространение.

Достоинства:

· широкий диапазон входного напряжения;

· возможность работы при холостом ходе;

· отсутствие искажения формы выходного напряжения;

· высокое значение КПД.

· ступенчатое изменение выходного напряжения, ограничивающее точность стабилизации.

2 Феррорезонансные стабилизаторы напряжения построены на основе использования феррорезонанса в нелинейном контуре трансформатор — конденсатор, который обеспечивает непрерывное регулирование выходного напряжения в определенных пределах изменения нагрузки. В настоящее время находят ограниченное применение из-за ряда недостатков.

Достоинства:

· устойчивость к перегрузкам по напряжению и широкий диапазон температур;

· большой ресурс работы.

· искажение формы входного напряжения;

· недопустимость работы в режимах холостого хода и при перегрузках;

· зависимость выходного напряжения от частоты питающей сети;

· низкое значение КПД.

3. Электромеханические стабилизаторы напряжения представляют собой следящую систему с использованием электродвигателя, автотрансформатора и системы управления двигателем. Такие стабилизаторы позволяют непрерывно и плавно регулировать выходное напряжение без искажения синусоидальной формы.

Достоинства:

· высокая точность регулирования;

· высокая перегрузочная способность;

· широкий диапазон регулирования.

· ограниченный срок службы при наличии требования по проведению периодических регламентных работ;

· наличие открытого скользящего электрического контакта, ограничивающее среду использования.

4. Стабилизаторы напряжения с подмагничиванием трансформатора основаны на компенсации изменения напряжения сети путем регулирования коэффициента трансформации за счет локального подмагничивания стержней автотрансформаторов со специально выполненным магнитопроводом и системой обмоток. Подмагничивание осуществляется с помощью тиристорного регулятора. Такие стабилизаторы характеризуются высокими перегрузочными способностями, но имеют ограниченный диапазон регулирования и существенный коэффициент искажения синусоидальной формы выходного напряжения по сравнению со ступенчатыми корректорами напряжения.

5. Стабилизаторы напряжения с двойным преобразованием энергии содержат выпрямитель и транзисторный инвертор с ШИМ управлением, обеспечивающий стабильное синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц. В настоящее время находятся в стадии промышленного освоения.

6. Стабилизаторы напряжения с высокочастотным транзисторным регулированием основаны на использовании быстродействующих силовых транзисторов, коммутируемых с высокой частотой на каждом периоде сетевого напряжения. Являются перспективным направлением в развитии стабилизаторов. В настоящее время находятся на стадии разработок, в промышленном производстве отсутствуют.

Резонанс напряжений. Резонанс напряжений – это такой режим работы неразветвленной электрической цепи переменного тока, при котором полное напряжение (входное) и ток совпадают по

Что такое резонанс?

Определение явления по ТОЭ: электрический резонанс происходит в электрической цепи при определенной резонансной частоте, когда некоторые части сопротивлений или проводимостей элементов схемы компенсируют друг друга. В некоторых схемах это происходит, когда импеданс между входом и выходом схемы почти равен нулю, и функция передачи сигнала близка к единице. При этом очень важна добротность данного контура.

Соединение двух ветвей при резонансе

Признаки резонанса:

Составляющие реактивных ветвей тока равны между собой IPC = IPL, противофаза образовывается только при равенстве чистой активной энергии на входе;
Ток в отдельных ветках, превышает весь ток определенной цепи, при этом ветви совпадают по фазе.

Иными словами, резонанс в цепи переменного тока подразумевает специальную частоту, и определяется значениями сопротивления, емкости и индуктивности. Существует два типа резонанса токов:

Последовательный;
Параллельный.

Для последовательного резонанса условие является простым и характеризуется минимальным сопротивлением и нулевой фазе, он используется в реактивных схемах, также его применяет разветвленная цепь. Параллельный резонанс или понятие RLC-контура происходит, когда индуктивные и емкостные данные равны по величине, но компенсируют друг друга, так как они находятся под углом 180 градусов друг от друга. Это соединение должно быть постоянно равным указанной величине. Он получил более широкое практическое применение. Резкий минимум импеданса, который ему свойствен, является полезным для многих электрических бытовых приборов. Резкость минимума зависит от величины сопротивления.

Схема RLC (или контур) является электрической схемой, которая состоит из резистора, катушки индуктивности, и конденсатора, соединенных последовательно или параллельно. Параллельный колебательный контур RLC получил свое название из-за аббревиатуры физических величин, представляющих собой соответственно сопротивление, индуктивность и емкость. Схема образует гармонический осциллятор для тока. Любое колебание индуцированного в цепи тока, затухает с течением времени, если движение направленных частиц, прекращается источником. Этот эффект резистора называется затуханием. Наличие сопротивления также уменьшает пиковую резонансную частоту. Некоторые сопротивление являются неизбежными в реальных схемах, даже если резистор не включен в схему.

Читайте так же:

Схема стабилизатора тока для блока питания

Применение на практике резонанса

Рассмотрим, какая польза и вред резонанса токов и напряжений. Наибольшую пользу явления резонанса принесли в радиопередающей аппаратуре. Простыми словами, а схеме приемника установлены катушка и конденсатор , подключенные к антенне. С помощью изменения индуктивности (например, перемещая сердечник) или величины емкости (например, воздушным переменным конденсатором) вы настраиваете резонансную частоту. В результате чего напряжение на катушке повышается и приемник ловит определенную радиоволну.

Вред эти явления могут на нести в электротехнике, например, на кабельных линиях. Кабель представляет собой распределенную по длине индуктивность и емкость, если на длинную линию подать напряжение в режиме холостого хода (когда на противоположном от источника питания конце кабеля нагрузка не подключена). Поэтому есть опасность того, что произойдет пробой изоляции, во избежание этого подключается нагрузочный балласт. Также аналогичная ситуация может привести к выходу из строя электронных компонентов, измерительных приборов и другого электрооборудования – это опасные последствия возникновения этого явления.

Применение

Практически вся силовая электротехника использует именно такой колебательный контур, скажем, силовой трансформатор. Также схема необходима для настройки работы телевизора, емкостного генератора, сварочного аппарата, радиоприемника, её применяет технология «согласование» антенн телевещания, где нужно выбрать узкий диапазон частот некоторых используемых волн. Схема RLC может быть использована в качестве полосового, режекторного фильтра, для датчиков для распределения нижних или верхних частот.

Резонанс даже использует эстетическая медицина (микротоковая терапия), и биорезонансная диагностика.

Индуктивность, ёмкость и их реактивная сопротивляемость

Индуктивность – это свойство объекта копить энергию в намагниченном поле. Характеризуется тем, что фазный ток отстаёт от напряжения. Устройства индуктивности – это электрические моторы, трансформаторы.

Ёмкость – элементы, обладающие способностью копить энергию при помощи электрополя.

Характеризуются отставанием величины напряжения от величины тока. Это варикапы, различные конденсаторы. Это их главные свойства, детали в рамках данной статьи не учитываются.

Помимо названых элементов есть и другие, которые обладают определённой индуктивностью и ёмкостью.

Принцип резонанса токов

Мы можем сделать резонансную или колебательную схему в собственной частоте, скажем, для питания конденсатора, как демонстрирует следующая диаграмма:

Схема для питания конденсатора

Переключатель будет отвечать за направление колебаний.

Схема: переключатель резонансной схемы

Конденсатор сохраняет весь ток в тот момент, когда время = 0. Колебания в цепи измеряются при помощи амперметров.

Схема: ток в резонансной схеме равен нулю

Направленные частицы перемещаются в правую сторону. Катушка индуктивности принимает ток из конденсатора.

Когда полярность схемы приобретает первоначальный вид, ток снова возвращается в теплообменный аппарат.

Теперь направленная энергия снова переходит в конденсатор, и круг повторяется опять.

В реальных схемах смешанной цепи всегда есть некоторое сопротивление, которое заставляет амплитуду направленных частиц расти меньше с каждым кругом. После нескольких смен полярности пластин, ток снижается до 0. Данный процесс называется синусоидальным затухающим волновым сигналом. Как быстро происходит этот процесс, зависит от сопротивления в цепи. Но при этом сопротивление не изменяет частоту синусоидальной волны. Если сопротивление достаточно высокой, ток не будет колебаться вообще.

Обозначение переменного тока означает, что выходя из блока питания, энергия колеблется с определенной частотой. Увеличение сопротивления способствует к снижению максимального размера текущей амплитуды, но это не приводит к изменению частоты резонанса (резонансной). Зато может образоваться вихретоковый процесс. После его возникновения в сетях возможны перебои.

См. также

Резонанс напряжений

Как ты считаеешь, будет ли теория про резонанс токов улучшена в обозримом будующем? Надеюсь, что теперь ты понял что такое резонанс токов, векторная диаграмма резонанса токов и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.

Индуктивность и ёмкость в цепи тока переменной величины

Ёмкость в линии с током постоянной величины выглядит как разомкнутый отрезок цепи, индукция представлена проводником. При переменном токе реактивный резисторный аналог представлен катушками с устройствами конденсации.

Реактивная сопротивляемость зависима от значения ёмкости либо индуктивности, а также частоты тока с переменной величиной.

Глядя на расчёт реактивного значения, становится заметно, что имея определённые значения индуктивного либо ёмкостного элемента, разность их равняется нулю, и, как следствие, в остатке будет находиться активное сопротивление. У этой ситуации есть ещё некоторые нюансы.

Резонанс напряжения

Это явление возникнет, когда к генератору последовательно подключить катушку с конденсатором с одинаковыми реактивными сопротивлениями.

Обращаем ваше внимание, что ситуации, когда реактивными бывают только ёмкость и индуктивность, существуют только в идеале. А в реальности всегда есть сопротивление проводов, хотя и незначительное.

При резонансном эффекте конденсатор с дросселем обмениваются энергией. При запуске генератора, конденсатор начинает накапливать энергию, а затем, после выключения, в результате обмена начинают происходить колебания.

Схема, включающая в себя ёмкость и индуктивность, называется колебательным контуром.

Периодичность вычисляется формулой Томпсона:

Поскольку сопротивление зависимо от частоты, соответственно, при увеличении частоты сопротивляемость индуктивности возрастает, при этом у ёмкости, наоборот, снижается.

Общий показатель сопротивления будет ощутимо понижаться, когда сопротивления одинаковые.

К главным показателям контура относятся частота и передаточный коэффициент. Если разобрать контур с четырьмя полюсами, становится понятно, что передаточный коэффициент равен добротности (Q).

В резонансе, чем значительнейпоказатель добротности, тем значительней напряжение на контурных элементах по сравнению с напряжением на генераторе.

В контуре показатели мощности падают из-за сопротивления. Энергия поставщика используется лишь для поддержки колебаний.

Читайте так же:

Параметрический стабилизатор тока параметры

Понятие о резонанс токов. Условия его возникновения и способы осуществления

Резонанс токов — резонанс, происходящий в параллельном колебательном контуре при его подключении к источнику напряжения, частота которого совпадает с собственной частотой контура.

Условие резонанса токов: , .

В1 – реактивная проводимость первой ветви,

В2 – реактивная проводимость второй ветви.

Способ возбуждения колебаний в электрическом контуре, заключающийся в генерации колебаний, за счет регулирования сигнала, управляющего возбуждением колебаний.

Резонанс токов и его признаки

Режим, при котором в цепи, содержащей параллельные ветви с индуктивными и емкостными элементами, ток неразветвленного участка цепи совпадает по фазе с напряжением (φ=0), называют резонансом токов.

Признаки резонанса токов:

Реактивные составляющие токов ветвей равны IPC = IPL и находятся в противофазе в случае, когда напряжение на входе чисто активное;

Токи ветвей превышают общий ток цепи, который имеет минимальное значение и совпадают по фазе.

Мгновенная мощь цепи синусоидального тока

Мгновенной мощностью называют произведение мгновенного напряжения на входе цепи на мгновенный ток.

Пусть мгновенные напряжение и ток определяются по формулам:

Среднее значение мгновенной мощности за период

Из треугольника сопротивлений , a

Получим еще одну формулу:

Среднее арифметическое значение мощности за период называют активной мощностью и обозначают буквой P.

Эта мощность измеряется в ваттах и характеризует необратимое преобразование электрической энергии в другой вид энергии, например, в тепловую, световую и механическую энергию.

Возьмем реактивный элемент (индуктивность или емкость). Активная мощность в этом элементе , так как напряжение и ток в индуктивности или емкости различаются по фазе на 90 o . В реактивных элементах отсутствуют необратимые потери электрической энергии, не происходит нагрева элементов.

Происходит обратимый процесс в виде обмена электрической энергией между источником и приемником. Для качественной оценки интенсивности обмена энергией вводится понятие реактивной мощности Q.

Преобразуем выражение (6.23):

где — мгновенная мощность в активном сопротивлении;

— мгновенная мощность в реактивном элементе (в индуктивности или в емкости).

Максимальное или амплитудное значение мощности p2 называется реактивной мощностью

где x — реактивное сопротивление (индуктивное или емкостное).

Реактивная мощность, измеряемая в вольтамперах реактивных, расходуется на создание магнитного поля в индуктивности или электрического поля в емкости. Энергия, накопленная в емкости или в индуктивности, периодически возвращается источнику питания.

Резонанс токов при параллельном включении емкостной и индуктивной нагрузки

Рассмотрим на примере колебательной системы которая состоит из генераторной установки, с базовыми параметрами: емкость и индуктивность. Все эти элементы соединены в параллельную электрическую цепь. Очевидно то, что в таком колебательном контуре выходное будет равняться напряжению, подаваемому генератором.

Токи в ветвях этих цепей действуют в противофазе относительно друг друга. То есть, токи в ветвях таких колебательных систем имеют взаимное встречное направление, а суммарный ток цепи колебательного контура равен их разности.

Базовые принципы

Говоря другими словами, если в цепи большее индуктивное сопротивление AA больше AB, тогда ток в индуктивной нагрузке меньше тока в емкостной. И, наоборот, когда AB больше AA, ток в конденсаторной нагрузке меньше, чем ток в индуктивной нагрузке. И, как следствие, ток в не разветвленном участке цепи контура будет иметь индуктивный или емкостной характер.

При этом необходимо учитывать, что в первом и во втором случаях нагрузка будет носить реактивный характер, то есть подключенная цепь не будет являться потребителем энергии генераторной установки.

Что такое симистор и как с его помощью управлять нагрузкой

Для управления мощными нагрузками в цепях переменного тока часто используются электромагнитные реле. Контактные группы этих приборов служат дополнительным источником ненадежности из-за склонности к обгоранию, привариванию. Также недостатком выглядит возможность искрения при коммутации, что в некоторых случаях требует дополнительных мер безопасности. Поэтому предпочтительнее выглядят электронные ключи. Один из вариантов такого ключа выполняется на симисторах.

Что такое симистор и для чего нужен

В силовой электронике в качестве управляемого коммутирующего элемента часто применяются один из видов тиристоров — тринисторы. Их преимущества:

отсутствие контактной группы;
отсутствие вращающихся и движущихся механических элементов;
небольшая масса и габариты;
длительный ресурс, независящий от количества циклов включения-выключения;
невысокая стоимость;
высокое быстродействие и бесшумная работа.

Но при применении тринисторов в цепях переменного тока проблемой становится их односторонняя проводимость. Чтобы тринистор пропускал ток в двух направлениях, приходится идти на ухищрения в виде параллельного включения во встречном направлении двух тринисторов, управляемых одновременно. Логичным выглядит объединение этих двух тринисторов в одной оболочке для удобства монтажа и уменьшения габаритов. И этот шаг был сделан в 1963 году, когда советские ученые и специалисты General Electric почти одновременно подали заявки на регистрацию изобретения симметричного тринистора – симистора (в зарубежной терминологии триака, triac – triode for alternative current).

На самом деле симистор не является в буквальном смысле двумя тринисторами, помещенными в один корпус.

Вся система реализована на одном кристалле с различными зонами p- и n- проводимостей, и эта структура не симметрична (хотя вольт-амперная характеристика триака имеет симметрию относительно начала координат и представляет собой отзеркаленную ВАХ тринистора). И в этом состоит принципиальное отличие симистора от двух тринисторов, каждый из которых должен управляться положительным, по отношению к катоду, током.

У симистора по отношению к направлению пропускаемого тока анода и катода нет, но по отношению к управляющему электроду эти выводы неравнозначны. В литературе встречаются термины «условный катод» (МТ1, А1) и «условный анод» (МТ2, А2). Ими удобно пользоваться для описания работы триака.

При подаче полуволны любой полярности, прибор сначала заперт (красный участок ВАХ). Также, как и у тринистора, отпирание триака может произойти при превышении порогового уровня напряжения при любой полярности волны синусоиды (синий участок). В электронных ключах это явление (динисторный эффект), скорее, вредное. Его надо избегать при выборе режима работы. Открывание триака происходит подачей тока в управляющий электрод. Чем больше ток, тем раньше откроется ключ (красный штриховой участок). Этот ток создается приложением напряжения между управляющим электродом и условным катодом. Это напряжение должно быть или отрицательным, или совпадать по знаку с напряжением, приложенным между МТ1 и МТ2.

Читайте так же:

Микросхема импульсного стабилизатор напряжения тока

При определенном значении тока, симистор открывается сразу и ведет себя как обычный диод – вплоть до запирания (зеленый штриховой и сплошной участки). Совершенствование технологий ведет к уменьшению потреблённого тока для полного отпирания симистора. У современных модификаций он составляет до 60 мА и ниже. Но увлекаться снижением тока в реальной схеме не следует – это может привести к нестабильному открыванию триака.

Закрывание, как и у обычного тринистора, происходит при снижении тока до определенного предела (почти до нуля). В цепи переменного тока это происходит при очередном прохождении через ноль, после чего потребуется снова подать управляющий импульс. В цепях постоянного тока управляемое запирание симистора требует громоздких технических решений.

Особенности и ограничения

Существуют ограничения применения симистора при коммутации реактивной (индуктивной или ёмкостной) нагрузки. При наличии такого потребителя в цепи переменного тока, фазы напряжения и тока сдвинуты относительно друг друга. Направление сдвига зависит от характера реактивности, а величина – от величины реактивной составляющей. Уже сказано, что триак выключается в момент перехода тока через ноль. А напряжение между MT1 и МТ2 в этот момент может быть достаточно большим. Если скорость изменения напряжения dU/dt при этом превысит пороговую величину, то симистор может не закрыться. Чтобы избежать этого эффекта, параллельно силовому тракту симистора включают варисторы. Их сопротивление зависит от приложенного напряжения, и они ограничивают скорость изменения разности потенциалов. Того же эффекта можно добиться применением RC-цепочки (снаббера).

Опасность от превышения скорости нарастания тока при коммутации нагрузки связана с конечным временем отпирания симистора. В момент, когда триак ещё не закрылся, может оказаться, что к нему приложено большое напряжение и одновременно через силовой тракт протекает достаточно большой сквозной ток. Это может привести к выделению на приборе большой тепловой мощности, и кристалл может перегреться. Для устранения этого дефекта надо по возможности компенсировать реактивность потребителя последовательным включением в цепь реактивности примерно той же величины, но противоположного знака.

Также надо иметь в виду, что в открытом состоянии на симисторе падает около 1-2 В. Но так как область применения – мощные высоковольтные ключи, это свойство на практическое применение триаков не влияет. Потеря 1-2 вольт в 220-вольтовой цепи сравнима с погрешностью измерения напряжения.

Примеры использования

Основная область использования триака – ключ в цепях переменного тока. Принципиальных ограничений для применения симистора в качестве ключа постоянного тока нет, но и смысла в этом нет. В этом случае проще использовать более дешевый и распространенный тринистор.

Как и любой ключ, симистор включается в цепь последовательно с нагрузкой. Включением и выключением триака управляется подача напряжения на потребителя.

Также симистор можно применять в качестве регулятора напряжения на нагрузках, которым не важна форма напряжения (например, лампы накаливания или термоэлектронагреватели). В этом случае схема управления выглядит так.

Здесь на резисторах R1, R2 и конденсаторе С1 организована фазовращающая цепь. Регулировкой сопротивления добиваются сдвига начала импульса относительно перехода сетевого напряжения через ноль. За формирование импульса отвечает динистор с напряжением открывания около 30 вольт. При достижении этого уровня он открывается и пропускает ток на управляющий электрод триака. Очевидно, что этот ток совпадает по направлению с током через силовой тракт симистора. Некоторые производители выпускают полупроводниковые приборы под названием Quadrac. У них в одном корпусе расположены симистор и динистор в цепи управляющего электрода.

Такая схема проста, но ток её потребления имеет резко несинусоидальную форму, при этом в питающей сети создаются помехи. Для их подавления надо использовать фильтры – хотя бы простейшие RC-цепочки.

Достоинства и недостатки

Достоинства симистора совпадают с плюсами тринистора, описанными выше. К ним надо лишь добавить возможность работы в цепях переменного тока и простое управление в таком режиме. Но имеются и минусы. В основном они касаются области применения, которая ограничена реактивной составляющей нагрузки. Предложенные выше меры защиты применить не всегда возможно. Также к недостаткам надо отнести:

повышенную чувствительность к шумам и помехам в цепи управляющего электрода, которая может вызвать ложные срабатывания;
необходимость отведения тепла от кристалла — обустройство радиаторов компенсирует небольшие габариты прибора, и для коммутации мощных нагрузок использование контакторов и реле становится предпочтительным;
лимитирование по рабочей частоте — оно не имеет значения при работе на промышленных частотах 50 или 100 Гц, но ограничивает применение в преобразователях напряжения.

Для грамотного применения симисторов необходимо знать не только принципы работы прибора, но и его недостатки, определяющие границы применения триаков. Только в этом случае разработанный прибор будет работать долго и надежно.