3 Магнітні параметричні стабілізатори напруги
У загальному випадку стабілізатор представляє пристрій, що забезпечує підтримку вихідної величини на певному постійному заздалегідь заданому рівні при зміні вхідної величини в досить широких межах.
Найпростіша схема такого пристрою показана на малюнку 4. Вона складається з лінійного дроселя - Lдл і нелінійного дроселя - Lдн. Розглянемо залежність вихідної напруги від вхідного.
Починаючи з деякого діючого значення вхідного синусоїдального напруги Uвх0. сердечник нелінійного дроселя насичується, тому його індуктивний опір на відповідному інтервалі різко зменшується. При цьому Uвх перерозподіляється між обома дросселями так, що велика частина вхідної напруги падає на дроселі з лінійної індуктивністю. В результаті при Uвх> Uвх0 вихідна напруга U вих змінюється значно менше, ніж вхідний Uвх.
До недоліків такого стабілізатора відносяться низький ККД (<60%), недостаточный коэффициент стабилизации, значительная зависимость его от нагрузки, а также резкое искажение формы кривой напряжения на нагрузке.
Принцип дії магнітного параметричного стабілізатора добре ілюструють результати його моделювання за допомогою програми MICRO - CAP, представлені на малюнку 5.
4 Ферорезонансні осередки
Найчастіше замість магнітних параметричних стабілізаторів використовують ферорезонансні стабілізатори. У цих стабілізаторах як нелінійного елемента використаний не просто нелінійний дросель, а ферорезонансний контур, що складається з нелінійного дроселя і конденсатора.
Типові ферорезонансні контуру, в яких використовується резонанс напруг і струмів, представлені на малюнку 6.
Слід зазначити, що залежність індуктивності дроселя від величини протікає через нього струму, надає такому пристрою особливі властивості, що не спостерігаються у звичайних лінійних ланцюгів з постійними параметрами.
На малюнку 7 показані залежності напруги на конденсаторі UС і на затискачах дроселя UL від величини струму, що протікає в ланцюзі, тобто вольтамперної характеристики лінійного конденсатора і нелінійного дроселя для схеми на малюнку 6, а.
Ці напруги зсунуті по фазі на 180º. Якщо знехтувати активним опором ланцюга і вищими гармоніками, то напруга UР. прикладена до ланцюга, дорівнює різниці UL - UС (штрих-пунктирна лінія). Точка, де UL = UС. відповідає стану резонансу, при якому ланцюг має нескінченно малий опір для змінного струму. При подальшому збільшенні струму напруга на конденсаторі стає більше напруги на дроселі. Відзначимо, що для наочності характеристики Uр = ƒ (I), UL - UС намальовані лише в першому квадраті координатної площини.
Насправді, через наявність активного опору R у ланцюзі (пряма UR), напруга UР не звертається до нуль при резонансі, і результуюча вольтамперная характеристика розглянутої ланцюга має вигляд пунктирною лінії (малюнок 7).
Напруга на послідовній осередку (рисунок 6, а) дорівнюватиме
Точки результуючої вольтамперної характеристики ланцюга отримуємо наступним чином. Довільно задаємося деяким струмом I, визначаємо для нього різниця напруги UL - UС і напруга UR. Результуюча напруга розраховуємо за формулою, наведеною вище.
При порівняно малому активному опорі R на результуючої ВАХ ланцюга є падаючу ділянку, і сама вона має N - подібну форму. При поступовому підвищенні напруги живлення струм спочатку зростає плавно до значення I2. а потім невелике підвищення напруги супроводжується стрибкоподібним наростанням струму до значення I4. потім він продовжує плавно збільшуватися. При зменшенні напруги також спостерігається спочатку плавне зменшення струму до значення I3 = IP. а потім - стрибком до величини I1.
Тобто розглядається пристрій володіє релейного характеристикою. N - образну характеристику повністю, включаючи падаючу ділянку, можна отримати при харчуванні контуру не від джерела ЕРС, а від джерела струму.
Тимчасові діаграми роботи послідовного Ферорезонансні осередки можуть бути отримані шляхом її моделювання за допомогою програми MICRO - CAP. Вони представлені на малюнку 8 (8, а - за відсутності явища ферорезонансу; 8, б - при наявності явища ферорезонансу).
Розглянутий спосіб побудови вольтамперної характеристики схеми (рисунок 6, а) можна використовувати і для побудови ВАХ схеми (рисунок 6, б). Так як в цій схемі I = IL + IC і UP = UL = UC (якщо знехтувати втратами в обмотці і осерді дроселя), то залежність UP = ƒ (I) визначається підсумовуванням струмів IL і IC при однакових значеннях U = UL = UC ( ідеальна ВАХ - штрих-пунктирна лінія).
З урахуванням R - реальна характеристика показана пунктиром. Особливістю отриманої характеристики є те, що вже в області невеликих струмів напруга UP резонансного контуру відносно мало залежить від I, в той час як для окремого дроселя область малої залежності UL від I доводиться на відносно великі струми.
ВАХ паралельної Ферорезонансні осередку представлена на малюнку 9.
Тому вигідніше використовувати паралельний ферорезонансний контур, ніж насичується дросель для стабілізації напруги.
Відзначимо, що S - образну ВАХ паралельної осередку можна зняти повністю, підключивши контур до джерела змінної ЕРС.
На малюнку 10 представлені результати моделювання за допомогою програми MICRO - CAP паралельної Ферорезонансні осередки: а) в області малих струмів; б) - ферорезонансу; в) - в області великих струмів.
Схема феррорезонансного стабілізатора напруги наведена на малюнку 11.
У цій схемі для поліпшення стабілізуючих властивостей замість звичайного лінійного дроселя використовується ненасичений дросель в АВТОТРАНСФОРМАТОРНЕ включенні Тл. Вторинна напруга цього трансформатора діє зустрічно напрузі Uвих1. знімається з феррорезонансного контуру.
Коефіцієнт трансформації вибирають таким, щоб нахил лінії Uфк (рисунок 12) дорівнював нахилу U вих. тобто α2 = α1.
Характеристика Uфк = ƒ (Uвх), очевидно, буде подібною ВАХ паралельного контуру, розглянутого вище, тому що вхідний струм стабілізатора зростає разом з вхідною напругою Uвх.
Додаткове введення компенсуючого напруги Uтр різко підвищує якість стабілізації, η ферорезонансним стабілізаторів - 70 ... 80%, cosφ = 0,7 ... 0,8.
Слід зазначити, що розглянуті магнітні стабілізатори через втрати не дозволяють отримати на виході схеми стабілізовану напругу, рівне номінального значення вхідної напруги.
Істотним недоліком ферорезонансним стабілізаторів є яскраво виражена несинусоїдальний форма вихідної напруги. Для усунення вищих гармонік в стабілізаторах застосовують резонансні фільтри, що включаються паралельно нелінійного дроселя.
Одна з можливих схем стабілізатора з синусоїдальним вихідним напругою показана на малюнку 13.
Загальним недоліком ферорезонансним стабілізаторів є значна чутливість до зміни частоти живильної мережі.
Одним із способів усунення цього недоліку є включення послідовно з навантаженням резонансного контуру CК LК з резонансом напруг або струмів (рисунок 14).
Параметри контуру вибираються так, щоб збільшення вихідної напруги, викликане зміною частоти мережі, компенсувалося б збільшенням опору контуру. Цей спосіб компенсації дає хороші результати при зміні частоти в межах ± 5% від номінальної. Однак при цьому втрачається від 20 до 50% напруги. Причому опір навантаження повинне бути строго постійним.