Фесенко Дарья Валериевна

Тема магистерской работы:

"Разработка и исследование цифровой системы автоматического регулирования переменного напряжения"

Руководитель: доцент Константинов Сергей Всеволодович

          Актуальность работы

          Актуальность данной работы заключается в том, что существующие регуляторы переменного напряжения вносят искажения в выходной сигнал и не могут управляться от цифровых устройств. Таким образом, существует необходимость разработать цифровую систему автоматического регулирования переменного напряжения.

          Цель и задачи

          Целью магистерской работы является разработка системы автоматического регулирования для повышения эффективности функционирования электротехнических устройств.
          Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

• Исследовать характеристики схемы-аналога.
  
• Исследовать характеристики рассматриваемой схемы.
  
• Сравнить полученные результаты и выявить достоинства и недостатки схем.
  
• Провести исследование и моделирование, для устранения недостатков рассматриваемой схемы.
  
• Изготовить и исследовать макет регулятора.

          Планируемый практический результат

          Планируемым результатом является получение регулятора переменного напряжения, который не вносит помех в выходной сигнал. Входной сигнал без искажений передается на выход регулятора, который может изменять его амплитуду.

Обзор регуляторов переменного напряжения

          Существуют различные способы регулирования напряжения. Разнообразие решений обусловлено требованиями по устойчивости, необходимой точности регулирования, параметрами нагрузок, экономическими и другими факторами.
          Рассмотрим регуляторы переменного напряжения на основе магнитных усилителей, тиристоров и транзисторов. Регуляторы напряжения, построенные на основе магнитных усилителей, обладают рядом достоинств: практически неограниченный срок службы, простота эксплуатации, высокая температурная и временная стабильность характеристик, высокий КПД. Несмотря на ряд достоинств, регуляторы, построенные на базе магнитных усилителей, редко применяются в современных системах управления, так как существенным недостатком таких устройств являются их большие габариты и масса, вызванные конструктивными особенностями магнитных усилителей.
          Тиристорные регуляторы позволяют значительно уменьшить физические размеры устройства, снизить его стоимость и сократить потери электроэнергии, но они обладают существенными недостатками, ограничивающими их возможности. Во-первых, они вносят достаточно заметные помехи в электрическую сеть, что нередко отрицательно сказывается на работе телевизоров, радиоприемников, магнитофонов. Во-вторых, их можно применять только для управления нагрузкой с активным сопротивлением - электролампой или нагревательным элементом, и нельзя использовать совместно с нагрузкой индуктивного характера - электродвигателем, трансформатором.
          Обобщенная схема тиристорного регулятора переменного напряжения приведена на рис. 1:

Рисунок 1 – Тиристорный регулятор переменного напряжения

          Этот регулятор не рассеивает большую мощность, имеет малые габариты.
          Тиристорный регулятор [1] содержит два тринистора, один из которых открывается в положительный полупериод сетевого напряжения, а другой – в отрицательный.

Рисунок 2 – Тиристорный регулятор переменного напряжения с амплитуднофазным управлением

          Достоинством этого регулятора является то, что он имеет меньшие потери напряжения, а также его мощность увеличивается в два раза по сравнению с регулятором, изображенным на рис.1.
          Недостатки регуляторов напряжения на тиристорах позволяет устранить регулятор напряжения на базе транзисторов.
          Транзисторный регулятор напряжения не вносит помех в электрическую сеть и его можно применять для управления нагрузкой, как с активным, так и индуктивным сопротивлением. Регулятор можно использовать для регулировки яркости свечения люстры или настольной лампы, температуры нагрева паяльника или электроплитки, скорости вращения электродвигателя вентилятора или дрели, напряжения на обмотке трансформатора.
          Обобщенная схема транзисторных регуляторов переменного напряжения [2] и [3] приведена на рисунке 3:

Рисунок 3 - Транзисторный регулятор переменного напряжения

          Мощность нагрузки регулятора [3] допустимо увеличить, если регулирующие транзисторы одного типа включить параллельно: коллекторы и эмиттеры соединить между собой, а базы через отдельные диоды и резисторы подключить к движку переменного резистора.
          Регулятор [2] имеет существенный недостаток: из-за того, что резистор и коллектор соединены вместе, схема не может войти в глубокое насыщение, а также она непригодна для дистанционного управления (из-за того, что напряжение сети имеет фазу и ноль).
          Транзисторные регуляторы переменного напряжения [2] и [3] можно усовершенствовать, дополнительно снабдив их транзистором противоположной проводимости. Тогда регулятор напряжения будет иметь вид:

Рисунок 4 - Двухтранзисторный регулятор переменного напряжения

Исследование транзисторного регулятора

          Рассмотрим подробнее регулятор переменного напряжения, изображенный на рис.4. Данный регулятор подключается к источнику переменного напряжения (в модели использован источник Uпит=50В), содержит транзисторы противоположной проводимости (VT1 и VT2), эмиттеры которых соединены между собой и с одной из выходных клемм регулятора. Коллекторы транзисторов, через диоды (VD1 и VD2), соединены с нагрузкой (Rн=50Ом). Базы транзисторов соединены между собой и через постоянный резистор (R1=10кОм), соединены с подвижным контактом переменного резистора (R2=1,5кОм).

Рисунок 5 – Регулятор переменного напряжения

          Из-за того, что транзисторы имеют разные коэффициенты усиления, характеристики регулятора, приведенные на рис. 6, значительно отличаются при протекании тока через VT1 (в первый полупериод) и через VT2 (во второй полупериод).

Рисунок 6 - Характеристики регулятора переменного напряжени при протекании тока через VT1 и VT2

          Для “выравнивания” характеристик необходимо получить одинаковые токи коллекторов транзисторов. Для этого необходимо увеличить ток базы транзистора с меньшим h₂₁. Для этого в схему добавляется диод VD3 и резистор R4, которые включены в цепь управления параллельно резистору R1 (рис. 7).

Рисунок 7 – Регулятор переменного напряжения с коррекцией тока базы

          Скорректировав ток базы, получим практически одинаковые токи коллекторов транзисторов VT1 и VT2. Характеристики регулятора приведены на рис. 8:

Рисунок 8 – Характеристики регулятора с коррекцией тока базы,при протекании тока через VT1 и VT2

          Для того чтобы определить максимальные потери напряжения на нагрузке, сняты регулировочные характеристики при разных положениях подвижного контакта переменного резистора.

Рисунок 9 - Регулировочные характеристик регулятора переменного напряжения при протекании тока через транзистор VT1

Рисунок 10 - Регулировочные характеристик регулятора переменного напряжения при протекании тока через транзистор VT2

          Из рисунков 9 и 10 видно, что минимальное напряжение на нагрузке будут при положении подвижного контакта в крайнем нижнем положении (0%), а максимальное – в крайнем верхнем положении (100%). Характеристики, особенно при малых токах базы, несколько отличаются от линейных.
          Для линеаризации характеристик необходимо ввести нелинейную схему управления. Для её расчета снята зависимость тока базы от входного напряжения, обеспечивающая линейную характеристику регулятора рис. 11.

Рисунок 11 – Зависимость тока базы транзистора VT1 от входного напряжения, обеспечивающая линейную характеристику

          Использование рассматриваемого регулятора переменного напряжения (рис.5) обеспечивает минимальную нелинейность, при малом выходном напряжении и небольшие потери, при максимальном выходном напряжении, кроме того, мощность регулятора увеличивается в два раза по сравнению с регулятором [2].
          Также линеаризовать характеристики можно, управляя регулятором от цифрового устройства. Это позволяет вносить коррекцию и получать линейные характеристики, не изменяя параметров схемы.
          Устройство (рис.4) можно усовершенствовать, добавив два делителя (R2,R3 и R4,R5), два транзистора противоположной проводимости (VT3 и VT4) и операционный усилитель.

Рисунок 12 – Регулятор переменного напряжения

          * Анимация в gifanimator: 4 кадра, 5 повторений

          Этот регулятор работает следующим образом: при подаче положительной полуволны от источника переменного напряжения, положительное напряжение от переменного резистора R1 через делитель R2,R3 поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. После усиления, напряжение через постоянный резистор R6 открывает транзистор VT1 и ток течет через диод VD1, транзистор VT3, нагрузку и проходит к источнику переменного напряжения. При подаче отрицательной полуволны, напряжение через делитель R2,R3 и операционный усилитель открывает транзистор VT2 и ток течет через нагрузку, транзистор VT4 и диод VD2.
          Транзисторы VT1, VT2, VT3 и VT4 образуют симметричный выходной каскад с усилением напряжения.
          Использование данного регулятора переменного напряжения обеспечивает практически абсолютную линейность характеристик и может применяться в различных устройствах, в том числе и для регулирования звука.
          На данный момент работа еще не закончена. В ближайшее время планируется сделать макет регулятора и исследовать его характеристики. Магистерская работа будет завершена к концу декабря 2008 года.

Перечень ссылок