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 Rн макс больше минимального значения Rн 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 RH, 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 (ZH), 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.