Кіріспе
Тұрақты кернеуді сақтауға арналған жүйе. Кернеуді реттегіш – автоматты түрде тұрақты кернеуді сақтауға құрылған жүйе. Ол қарапайым тікелей байланыс немесе кері байланыс принципін қолдануы мүмкін. Электромеханикалық механизмдар немесе электрондық компоненттер пайдаланылуы мүмкін. Құрылысына қарай, бір немесе бірнеше айнымалы немесе тұрақты кернеуді реттеуге қолданылуы мүмкін. Электрондық кернеуді реттегіштер компьютерлік қуат көздері сияқты құрылғыларда кездеседі, олар процессор және басқа элементтерге қажетті тұрақты кернеуді тұрақтандырады. Автомобиль генераторлары мен орталық электр станцияларының генераторларында кернеуді реттегіштер станцияның шығысын басқарады. Электр қуатын тарату жүйесінде кернеуді реттегіштер қосалқы станцияларда немесе тарату желілері бойында орнатылуы мүмкін, осылайша желіден қанша қуат алынса да, барлық тұтынушыларға тұрақты кернеу жеткізіледі.
A voltage regulator is a system designed to automatically maintain a constant voltage. It may use a simple feed forward design or may include negative feedback. It may use an electromechanical mechanism, or electronic components. Depending on the design, it may be used to regulate one or more AC or DC voltages. Electronic voltage regulators are found in devices such as computer power supplies where they stabilize the DC voltages used by the processor and other elements. In automobile alternators and central power station generator plants, voltage regulators control the output of the plant. In an electric power distribution system, voltage regulators may be installed at a substation or along distribution lines so that all customers receive steady voltage independent of how much power is drawn from the line.
Электрлік кернеуді реттеуші
Қарапайым кернеу/ток реттегіші диодты (немесе диодтар тізбегін) тізбекке қосылған резистордан жасалуы мүмкін. Диодтың V-I қисықтарының логарифмдік нысанына байланысты, диодтағы кернеу ток өзгеруіне немесе кірістің өзгеруіне байланысты аз ғана өзгереді. Кернеуді дәл басқару және тиімділік маңызды болмаған жағдайда, бұл конструкция жарамды болуы мүмкін. Диодтың тікелей кернеуі шағын болғандықтан, мұндай кернеу реттегіші тек төмен кернеуді реттелетін шығысқа ғана қолайлы. Жоғары кернеу шығысы қажет болғанда, зенер диоды немесе зенер диодтар тізбегі қолданылуы мүмкін. Зенер диодты реттегіштер зенер диодының тұрақты кері кернеуін пайдаланады, ол өте үлкен болуы мүмкін. Кері байланыс кернеу реттегіштері шығыс кернеуін белгілі бір эталондық кернеумен салыстыру арқылы жұмыс істейді. Кез келген айырмашылық күшейтіліп, кернеу қатесін азайту үшін реттеу элементін басқару үшін қолданылады. Бұл теріс кері байланыс басқару циклын құрайды; ашық циклдің күшейтуін арттыру реттеудің дәлдігін арттыруға, бірақ тұрақтылықты төмендетуге бейім. (Тұрақтылық – қадамдық өзгерістер кезінде тербелістерден немесе қоңырау сияқты құбылыстардан сақтану.) Сондай-ақ, тұрақтылық пен өзгерістерге жауап беру жылдамдығы арасында компромисс болады. Егер шығыс кернеуі тым төмен болса (мысалы, кіріс кернеуінің төмендеуіне немесе жүктеме тогының артуына байланысты), реттеу элементіне кіріс кернеуінің аз бөлігін түсіру арқылы (сызықтық тізбектік реттегіштер және төмендету типті коммутациялық реттегіштер үшін) немесе кіріс тогын ұзақ уақытқа тарту арқылы (көтеру типті коммутациялық реттегіштер үшін) жоғары шығыс кернеуін жасау бұйырығы беріледі; егер шығыс кернеуі тым жоғары болса, реттеу элементіне әдетте төмен кернеу жасау бұйырығы беріледі. Дегенмен, көптеген реттегіштерде артық токтан қорғау қарастырылған, сондықтан олар шығыс тогы тым жоғары болса, токты толығымен тоқтатады (немесе токты қандай да бір жолмен шектейді), ал кейбір реттегіштер кіріс кернеуі белгілі бір диапазоннан шыққанда өшірілуі мүмкін (қараңыз: қысқа тұйықтау тізбектері).
low voltage regulated output. When higher voltage output is needed, a zener diode or series of zener diodes may be employed. Zener diode regulators make use of the zener diode's fixed reverse voltage, which can be quite large. Feedback voltage regulators operate by comparing the actual output voltage to some fixed reference voltage. Any difference is amplified and used to control the regulation element in such a way as to reduce the voltage error. This forms a negative feedback control loop; increasing the open loop gain tends to increase regulation accuracy but reduce stability. (Stability is avoidance of oscillation, or ringing, during step changes.) There will also be a trade off between stability and the speed of the response to changes. If the output voltage is too low (perhaps due to input voltage reducing or load current increasing), the regulation element is commanded, up to a point, to produce a higher output voltage–by dropping less of the input voltage (for linear series regulators and buck switching regulators), or to draw input current for longer periods (boost type switching regulators); if the output voltage is too high, the regulation element will normally be commanded to produce a lower voltage. However, many regulators have over current protection, so that they will entirely stop sourcing current (or limit the current in some way) if the output current is too high, and some regulators may also shut down if the input voltage is outside a given range (see also: crowbar circuits).
Электромеханикалық реттеуші
Электромеханикалық реттегіштерде кернеуді реттеу электромагнит жасау үшін сезімтал сымды орау арқылы оңай жүзеге асырылады. Ток тудырған магнит өрісі, серіппелік кернеу немесе гравитациялық тартым күшімен ұсталып тұрған қозғалмалы темір өзекке тартым күшін танытады. Кернеу жоғарылағанда ток та жоғарылайды, катушканың магнит өрісін күшейтеді және өзекке өріс бағытында тартым күшін арттырады. Магнит физикалық тұрғыдан механикалық қосқышқа жалғастырылған, ол магнит өріске енгенде ашылады. Кернеу төмендегенде ток та төмендейді, серіппелік кернеуді немесе өзек салмағын босатып, оны кері қайтарады. Бұл қосқышты жабады және қуат ағынына қайта мүмкіндік береді. Егер механикалық реттегіш конструкциясы кернеудің шағын ауытқуларына сезімтал болса, соленоид өзектерінің қозғалысын селекторлық қосқышты кедергілер немесе трансформатор орауларының диапазоны бойынша жылжыту арқылы шығыс кернеуін біртіндеп жоғарылату немесе төмендету үшін, немесе қозғалмалы катушкалы АЖ реттегішінің орнын бұру үшін пайдалануға болады. Алғашқы автомобильдердегі генераторлар мен ток түзеткіштерінде генератордың шығысын шамамен 6,7 немесе 13,4 В деңгейінде тұрақтандыру үшін бір, екі немесе үш реле және әртүрлі кедергілерді қолданатын механикалық кернеу реттегіші болған. Релелер генератордың шығыс кернеуін реттеу үшін ток импульсының ұзақтығын өзгертеді, бұл айналмалы машинадағы орташа магниттік токты басқарады, ол магнит өрісінің күшін анықтайды, ал ол өз кезегінде жүктемесіз шығыс кернеуін анықтайды. Жоғарыда сипатталғандай, импульстік кернеуді тегістеу үшін конденсаторлар қолданылмайды. Өрістік катушканың жоғары индуктивтілігі магнит өрісіне берілген энергияны темір өзекте сақтайды, сондықтан импульстік өрістік ток күшті импульстік өріске әкелмейді. Екі типті айналмалы машина да статордағы катушкаларда айнымалы ток тудыратын айналмалы магнит өрісін жасайды. Генератор шығарылған АЖ-ны АЖ-ға түрлендіру үшін механикалық коммутаторды, мыс сегменттерінде қозғалатын графит щеткаларды пайдаланады, сыртқы қосылыстарды вал бұрышы бойынша ауыстыру арқылы кернеу кері бұрылатын кезде. Ток түзеткіштер де осы мақсатқа жетеді, бірақ олар тозбайды және ауыстыруды қажет етпейді. Қазіргі заманғы конструкциялар электромеханикалық реттегіштерде релелер атқаратын функцияларды орындау үшін қатты күйдегі технологияны (транзисторларды) қолданады. Электромеханикалық реттегіштер желілік кернеуді тұрақтандыру үшін қолданылады – төмендегі АЖ кернеуін тұрақтандырғыштарды қараңыз.
Автоматты кернеуді реттеуші
Электр станцияларында, кемелерде электр қуатын өндіруде немесе резервтік қуат жүйелерінде қолданылатын генераторларда, генераторларға жүктеме түскен кезде кернеуді тұрақтандыру үшін автоматты кернеу реттегіші (AVR) болады. Генераторларға арналған алғашқы AVR-лер электромеханикалық жүйелер болған, бірақ қазіргі заманғы AVR-лерде жартылай өткіштік құрылғылар қолданылады. AVR – генератордың шығыс кернеуін өлшейтін, оны белгіленген мәнмен салыстыратын және генератордың қозуын реттеу үшін пайдаланылатын қате сигналын жасайтын кері байланыс басқару жүйесі. Генератордың индуктор орамасындағы қозу тогы артқан сайын, оның шығыс кернеуі де артады. AVR токты қуаттық электроника құрылғыларын пайдалану арқылы басқарады; әдетте генератордың шығысының шағын бөлігі индуктор орамасын қуатпен қамтамасыз ету үшін қолданылады. Егер генератор электр беру желісі сияқты басқа көздермен параллель қосылған болса, қозуды өзгерту генератордың шығыс кернеуіне қарағанда, генератордың өндіретін реактивтік қуатына көбірек әсер етеді, оны көбінесе қосылған қуат жүйесі анықтайды. Егер бірнеше генератор параллель қосылған болса, AVR жүйесінде барлық генераторлардың бірдей қуат коэффициентімен жұмыс істеуін қамтамасыз ететін тізбектер болады. Желіге қосылған электр станциясының генераторларындағы AVR-лерде электр желісін кенеттен жүктеме жоғалту немесе ақаулар салдарынан тұрақтандыруға көмектесетін қосымша басқару мүмкіндіктері болуы мүмкін.
Қосқабатты айналдырумен ауыспалы кернеуді реттегіш
Бұл 1920 жылдары қолданылған, бірқатар тұрақты өрістік катушкасы және оське параллель айналатын екінші өрістік катушка принципін қолданатын, вариокуплерге ұқсас реттегіштің ескі түрі. Қозғалмалы катушка тұрақты катушкаға перпендикуляр орналасқанда, оған әсер ететін магниттік күштер бір-бірін теңестіріп, шығыс кернеуі өзгермейді. Катушканы орталық положенинен бір жаққа немесе екінші жаққа бұру екінші қозғалмалы катушкадағы кернеуді арттырады немесе азайтады. Бұл типтегі реттегішті кернеуді арттыру немесе азайту үшін қозғалмалы катушканың орнын өзгертуге арналған серво басқару механизмі арқылы автоматтандыруға болады. Айналатын катушканы қозғалатын катушкаға әсер ететін күшті магниттік күштерге қарсы ұстап тұру үшін тежегіш механизм немесе жоғары қатынастағы беріліс қолданылады.
Электромеханикалық
Электрмеханикалық реттегіштер, кернеуді тұрақтандырғыштар немесе крандық ауыстырғыштар деп аталады, AC электр тарату желілеріндегі кернеуді реттеу үшін де қолданылады. Бұл реттегіштер бірнеше краны бар автотрансформатордағы тиісті кранды таңдау үшін сервомеханизмді пайдалану арқылы немесе үздіксіз өзгермелі автотрансформатордың қозғалтқышын жылжыту арқылы жұмыс істейді. Егер шығыс кернеуі қабылданатын диапазонға кірмесе, сервомеханизм трансформатордың айналым қатынасын өзгертіп, екіншілік кернеуді қабылданатын аймаққа жылжыту үшін кранды ауыстырады. Басқару құрылғылары белгілі бір диапазонда басқарушының әрекет етпейтін "өлген аймағын" қамтамасыз етеді, бұл басқарушының кернеуді үнемі реттеуін ("қозғалысын") болдырмайды, себебі кернеу қабылданатынша аз өзгереді.
Тұрақты кернеу трансформаторы
Ferroresonant трансформаторлар, ferroresonant реттегіш немесе тұрақты кернеу трансформаторы – кернеуді реттеу үшін қолданылатын толығу трансформаторының бір түрі. Бұл трансформаторлар жоғары кернеулі резонанстық орам мен конденсатордан тұратын резервуар тізбегін пайдаланады, ол кіріс тогының немесе жүктеменің өзгеруіне қарамастан, орташа шығыс кернеуін дерлік тұрақты ұстайды. Тізбектің бір жағында магниттік шунт орналасқан, ал екінші жағында – реттелген тізбек орамы мен екінші орам. Реттеу екінші орамның айналасындағы бөліктегі магниттік қанығуға байланысты. Ferroresonant тәсілі активті компоненттерінің болмауына байланысты тартымды, себебі резервуар тізбегінің шаршы циклды қанығу сипаттамалары кіріс кернеуінің ауытқуларын сіңіруге мүмкіндік береді. Қаныққан трансформаторлар AC қуат көзін тұрақтандырудың қарапайым және берік әдісін ұсынады. Ескі ferroresonant трансформаторларының конструкцияларында гармоникалық құрамы жоғары шығыс болды, бұл шығыс толқын пішінінің бұрмалануына әкелді. Қазіргі заманғы құрылғылар мінсіз синусоидалық толқынды жасау үшін қолданылады. Ferroresonant әрекеті кернеуді реттеуші емес, ағын шектегіш болып табылады, бірақ тұрақты жиілікте кіріс кернеуінің кең ауқымда өзгеруіне қарамастан, орташа шығыс кернеуін тұрақты деңгейде ұстай алады. Тұрақты кернеу трансформаторлары (CVT) немесе "ferros" деп те аталатын ferroresonant трансформаторлары жоғары изоляцияны және ішкі қысқа тұйықталудан қорғауды қамтамасыз ететіндіктен, қуаттың жоғары серпілісін басуға да жарамды. Ferroresonant трансформаторлар номиналды кернеудің ±40% немесе одан да көп диапазонындағы кіріс кернеуімен жұмыс істей алады. Шығыс қуат коэффициенті жартылай жүктемеден толық жүктемеге дейін 0,96 немесе одан жоғары мәнде сақталады. Ол шығыс кернеуінің толқын пішінін қайта жасайтындықтан, шығыс бұрмалануы, әдетте 4%-дан кем, кез келген кіріс кернеуінің бұрмалануына, тіпті кесілуге де тәуелсіз. Толық жүктемеде тиімділік әдетте 89%-дан 93%-ға дейін. Алайда, төмен жүктемеде тиімділік 60%-дан төмен түсуі мүмкін. Ағымды шектеу мүмкіндігі CVT-ні моторлар, трансформаторлар немесе магниттер сияқты орташа немесе жоғары іске қосылатын тогы бар қолдануларда пайдаланғанда кемшілікке айналады. Мұндай жағдайда CVT-ні ең жоғары тоққа бейімдеу үшін өлшемдеу қажет, бұл оны төмен жүктемеде және тиімділігі төмен жұмыс істеуге мәжбүр етеді. Трансформаторлар мен конденсаторлар өте сенімді болғандықтан, оларға минималды күтім-қарқын қажет. Кейбір құрылғылар бірнеше конденсаторларды қамтиды, бұл тексерулер арасында құрылғының жұмысына әсер етпей, бірнеше конденсатордың істен шығуына мүмкіндік береді. Шығыс кернеуі жабдықтау жиілігінің әр 1% өзгеруіне шамамен 1,2% өзгереді. Мысалы, генератор жиілігіндегі 2 Гц-тік өте үлкен өзгеріс шығыс кернеуінде тек 4% өзгеруге әкеледі, бұл көптеген жүктемелер үшін аз әсер етеді. Ол 100% бір фазалы импульстіқ қуат көзін жүктеуді, барлық бейтарап компоненттерді қоса алғанда, ешқандай төмендету қажеттілігінсіз қабылдай алады. Кіріс тогының бұрмалануы 100%-дан астам тоқпен сызықтық емес жүктемелерді қоректендіргенде де 8% THD-дан кем болып қалады. CVT-ның кемшіліктері олардың үлкен өлшемдері, естілетін гуіл және қанығудан туындаған жоғары жылу шығыны болып табылады.
Электр қуатын тарату
Кернеуді реттегіштер немесе тұрақтандырғыштар электр желісіндегі кернеудің өзгеруін теңдестіру үшін қолданылады. Үлкен реттегіштер тарату желілеріне тұрақты орнатылуы мүмкін. Кішкентай көшмелі реттегіштерді сезімтал жабдық пен қабырғадағы розетканың арасына қосуға болады. Генераторлардағы автоматтік кернеу реттегіштері жүктеме өзгерген кезде тұрақты кернеуді сақтауға арналған. Кернеуді реттегіш жүктемедегі өзгерісті өтеуге көмектеседі. Электр қуатын таратудағы кернеуді реттегіштер әдетте кернеудің белгілі бір диапазонында жұмыс істейді, мысалы 150–240 В немесе 90–280 В.
Тік ток кернеуін тұрақтандырушылар
Көптеген қарапайым тұрақты ток көздері кернеуді сериялық немесе шунт реттегіштері арқылы реттейді, бірақ көбінесе кернеуді анықтау үшін шунт реттегіш қолданады, мысалы, Зенер диоды, лавиналық тежелу диоды немесе кернеуді тұрақтандыру түтігі. Бұл құрылғылардың әрқайсысы белгілі бір кернеуге жеткенде ток өткізе бастайды және идеалды емес қуат көзінен артық токты жерге, көбінесе артық энергияны ысырату үшін салыстырмалы түрде төмен кедергі арқылы бұрып, өзінің терминалдық кернеуін сол белгілі кернеуде ұстау үшін қажетті токты өткізеді. Қуат көзі тек шунт реттегіш құрылғысының қауіпсіз жұмыс шегіндегі максималды ток мөлшерін беруге арналған. Егер тұрақтандырғышқа көбірек қуат қажет болса, шунт реттегішінң шығысы тек электрондық құрылғы үшін стандартты кернеу анықтамасын беру үшін қолданылады, бұл кернеуді тұрақтандырғыш деп аталады. Кернеуді тұрақтандырғыш – талап бойынша әлдеқайда үлкен токтарды жеткізе алатын электрондық құрылғы.
Реттеушілерді ауыстыру
Қосу-ажырату реттегіштері сериялық құрылғыны жылдам қосып, өшіреді. Ажыратқыштың жұмыс циклы жүктемеге берілетін заряд мөлшерін анықтайды. Бұл сызықтық реттегіштегідей кері байланыс механизмімен басқарылады. Сериялық элемент толығымен өткізгіш немесе өшірілген болғандықтан, ол дерлік қуатты ысырап етпейді; осы коммутациялық конструкцияға тиімділігін береді. Қосу-ажырату реттегіштері кіріске қарағанда жоғары шығыс кернеуін немесе кері полярлықты да тудыра алады – бұл сызықтық конструкциямен мүмкін емес. Қосу-ажырату реттегіштерінде өткізгіш транзистор «бақыланатын ажыратқыш» ретінде қолданылады және толық кесілу немесе толық қанығу күйінде жұмыс істейді. Сондықтан өткізгіш құрылғы арқылы берілетін қуат тұрақты ток ағыны емес, дискретті импульстар түрінде болады. Өткізгіш құрылғы төмен кедергілі ажыратқыш ретінде жұмыс істегендіктен, жоғары тиімділікке қол жеткізіледі. Өткізгіш құрылғы кесілген кезде ток болмайды және ол қуатты ысырап етпейді. Ал өткізгіш құрылғы қаныққан кезде, оның бойындағы кернеудің төмендеуі өте аз болады, сондықтан орташа қуаттың аз бөлігін ғана ысыраптап, жүктемеге максималды ток береді. Екі жағдайда да өткізгіш құрылғыда ысырап болатын қуат өте аз, ал қуаттың барлық бөлігі жүктемеге беріледі. Осылайша, қосу-ажырату режиміндегі қуат көзінің тиімділігі 70-90% аралығында өте жоғары. Қосу-ажырату режимін реттегіштері шығыс кернеуінің орташа мәнін басқару үшін импульс енін модуляциялауға сенеді. Қайталанатын импульстік толқынның орташа мәні толқын астындағы аумаққа байланысты. Егер жұмыс циклы өзгерсе, кернеудің орташа мәні пропорционалды түрде өзгереді. Сызықтық реттегіштер сияқты, толыққанды қосу-ажырату реттегіштері де интегралды схемалар түрінде қол жетімді. Сызықтық реттегіштерден айырмашылығы, олар әдетте энергияны сақтаушы элемент ретінде қызмет ететін индукторды қажет етеді. IC реттегіштері анықтамалық кернеу көзін, қателік күшейткішін, қысқа тұйықталу тогын шектеу және жылулық жүктемеден қорғаумен өткізгіш транзисторды біріктіреді. Қосу-ажырату реттегіштері сызықтық реттегіштерге қарағанда шығыс шуына және тұрақсыздыққа көбірек бейім. Алайда, олар сызықтық реттегіштерге қарағанда әлдеқайда жақсы қуат тиімділігін қамтамасыз етеді.
SCR реттеушілері
Кезекті ток көзімен қуатталатын реттегіштерде сериялық құрылғы ретінде кремнийді басқарылатын түзетушілер (SCR) қолданылуы мүмкін. Шығыс кернеуі қажетті деңгейден төмен болғанда, SCR іске қосылып, айнымалы ток желісінің кернеуі нөлге дейін жеткенге дейін (жарты цикл аяқталғанға дейін) электр энергиясының жүктемеге өтуіне мүмкіндік береді. SCR реттегіштерінің өте тиімді және қарапайым болуының артықшылықтары бар, бірақ олар ағымдағы жарты циклды тоқтата алмайтындықтан, жылдам өзгеріп жатқан жүктемелерге жауап ретінде кернеуді өте дәл реттеуге қабілетсіз. Балама реттеуші – SCR параллель реттегіші, ол реттегіш шығысын іске қосу үшін пайдаланады. Сериялық және параллель схемалардың екеуі де шулы, бірақ қуатты, себебі құрылғының өткізу кедергісі төмен.
Комбинациялық немесе гибридті реттеушілер
Көптеген қуат көздері бірнеше реттеу әдісін қатарынан қолданады. Мысалы, импульстік реттегіштің шығысын сызықтық реттегішпен қосымша реттеуге болады. Импульстік реттегіш енгізілетін кернеудің кең диапазонын қабылдайды және тиімді түрде (біраз шулы) кернеуді соңғы қажетті шығыстан сәл жоғарырақ жасайды. Содан кейін сызықтық реттегіш қажетті кернеуді дәлме-дәл шығарады және импульстік реттегіш тудырған шудың көбісін жояды. Басқа конструкциялар SCR реттегішін "алдын ала реттегіш" ретінде пайдалануы мүмкін, одан кейін тағы бір түрлі реттегіш қолданылады. Өзгермелі кернеуді, дәл шығыс қуаты бар қуат көзін жасаудың тиімді жолы – көп шығырлы трансформаторды реттелетін сызықтық пост-реттегішпен үйлестіру.