Введение

Система, предназначенная для поддержания постоянного напряжения. Регулятор напряжения – это система, разработанная для автоматического поддержания постоянного напряжения. Он может использовать простую схему прямого действия или включать отрицательную обратную связь. В нем могут применяться электромеханические механизмы или электронные компоненты. В зависимости от конструкции, он может использоваться для регулирования одного или нескольких напряжений переменного или постоянного тока. Электронные регуляторы напряжения используются в устройствах, таких как блоки питания компьютеров, где они стабилизируют напряжения постоянного тока, потребляемые процессором и другими элементами. В автомобильных генераторах и на центральных электростанциях регуляторы напряжения контролируют выходную мощность. В системе распределения электроэнергии регуляторы напряжения могут быть установлены на подстанциях или вдоль линий электропередач, чтобы все потребители получали стабильное напряжение независимо от потребляемой мощности.

Регуляторы электрического напряжения

Простой регулятор напряжения/тока может быть создан из резистора, включенного последовательно с диодом (или серией диодов). Из-за логарифмической формы вольт-амперной характеристики диода, напряжение на диоде изменяется незначительно при изменении потребляемого тока или входного напряжения. Если точное регулирование напряжения и эффективность не являются критичными, такая схема может быть приемлемой. Поскольку прямое напряжение на диоде невелико, этот тип регулятора напряжения подходит только для получения регулируемого выходного напряжения низкого уровня. Для получения более высокого выходного напряжения можно использовать диод Зенера или серию диодов Зенера. Регуляторы на диодах Зенера используют фиксированное обратное напряжение диода Зенера, которое может быть достаточно высоким. Регуляторы с обратной связью работают путем сравнения фактического выходного напряжения с фиксированным опорным напряжением. Любая разница усиливается и используется для управления регулирующим элементом таким образом, чтобы уменьшить ошибку напряжения. Это формирует контур управления с отрицательной обратной связью; увеличение коэффициента усиления в разомкнутом контуре обычно повышает точность регулирования, но снижает стабильность. (Стабильность – это предотвращение колебаний или звона при резких изменениях). Также существует компромисс между стабильностью и скоростью реакции на изменения. Если выходное напряжение слишком низкое (например, из-за снижения входного напряжения или увеличения тока нагрузки), регулирующему элементу дается команда, до определенного предела, выдавать более высокое выходное напряжение – путем меньшего падения входного напряжения (для линейных последовательных регуляторов и понижающих импульсных регуляторов) или путем увеличения длительности подачи входного тока (для повышающих импульсных регуляторов); если выходное напряжение слишком высокое, регулирующему элементу обычно дается команда выдавать более низкое напряжение. Однако многие регуляторы имеют защиту от перегрузки по току, поэтому они полностью прекращают выдавать ток (или ограничивают его) при слишком высоком выходном токе, а некоторые регуляторы также могут отключаться, если входное напряжение выходит за пределы заданного диапазона (см. также: схемы "crowbar").

Регуляторы электромеханические

В электромеханических регуляторах регулирование напряжения легко достигается путем скручивания чувствительного провода для создания электромагнита. Магнитное поле, создаваемое током, притягивает движущееся железное ядро, удерживаемое под напряжением пружины или силой тяжести. С увеличением напряжения увеличивается и ток, усиливая магнитное поле, создаваемое катушкой, и притягивая ядро к полю. Магнит физически соединен с механическим переключателем питания, который размыкается при перемещении магнита в поле. При уменьшении напряжения уменьшается и ток, освобождая напряжение пружины или вес ядра и заставляя его отходить. Это замыкает переключатель и снова позволяет току течь. Если конструкция механического регулятора чувствительна к небольшим колебаниям напряжения, движение сердечника электромагнита может быть использовано для перемещения переключателя по диапазону сопротивлений или обмоток трансформатора, чтобы постепенно повышать или понижать выходное напряжение, или для вращения положения движущейся катушки в регуляторе переменного тока. Ранние автомобильные генераторы и альтернаторы использовали механический регулятор напряжения с одним, двумя или тремя реле и различными резисторами для стабилизации выходного напряжения генератора немного выше 6,7 или 13,4 В, чтобы поддерживать аккумулятор как можно более независимым от оборотов двигателя или изменяющейся нагрузки на электрическую систему автомобиля. Реле модулируют ширину импульса тока для регулирования выходного напряжения генератора, контролируя средний ток возбуждения во вращающейся машине, который определяет силу создаваемого магнитного поля, а следовательно, и выходное напряжение холостого хода на оборот. Конденсаторы не используются для сглаживания импульсного напряжения, как описано ранее. Большая индуктивность обмотки возбуждения накапливает энергию, передаваемую магнитному полю в железном сердечнике, поэтому импульсный ток возбуждения не приводит к столь же сильно импульсирующему полю. Оба типа вращающихся машин создают вращающееся магнитное поле, которое индуцирует переменный ток в катушках статора. Генератор использует механический коммутатор, графитовые щетки, скользящие по медным сегментам, для преобразования производимого переменного тока в постоянный, переключая внешние соединения под углом вала при изменении полярности напряжения. Альтернатор достигает той же цели, используя выпрямители, которые не изнашиваются и не требуют замены. Современные конструкции теперь используют твердотельную технологию (транзисторы) для выполнения той же функции, что и реле в электромеханических регуляторах. Электромеханические регуляторы используются для стабилизации напряжения сети – см. стабилизаторы напряжения переменного тока ниже.

Автоматический регулятор напряжения

Генераторы, используемые на электростанциях, в судовых энергетических установках или в системах резервного питания, оснащаются автоматическими регуляторами напряжения (AVR) для стабилизации напряжения при изменении нагрузки на генератор. Первые AVR для генераторов представляли собой электромеханические системы, однако современные AVR используют твердотельные компоненты. AVR – это система управления с обратной связью, которая измеряет выходное напряжение генератора, сравнивает его с заданным значением и формирует сигнал рассогласования, используемый для регулирования возбуждения генератора. Увеличение тока возбуждения в обмотке возбуждения генератора приводит к увеличению его выходного напряжения. AVR управляет током посредством силовой электроники, как правило, используя небольшую часть выходной мощности генератора для питания обмотки возбуждения. Если генератор подключен параллельно с другими источниками, такими как электрическая сеть, изменение возбуждения оказывает большее влияние на вырабатываемую генератором реактивную мощность, чем на его выходное напряжение, которое в основном определяется подключенной энергосистемой. При параллельной работе нескольких генераторов система AVR содержит схемы, обеспечивающие работу всех генераторов с одинаковым коэффициентом мощности. AVR генераторов электростанций, подключенных к сети, могут иметь дополнительные функции управления для повышения стабильности электрической сети при возникновении сбоев, вызванных внезапной потерей нагрузки или коротких замыканиях.

Регулятор напряжения переменного тока с ротационным катушкой

Это более старый тип регулятора, использовавшийся в 1920-х годах, основанный на принципе неподвижной катушки поля и второй катушки поля, которую можно вращать вокруг оси, параллельной неподвижной катушке, подобно вариометру. Когда подвижная катушка расположена перпендикулярно неподвижной, магнитные силы, действующие на подвижную катушку, компенсируют друг друга, и выходное напряжение не изменяется. Поворот катушки в ту или иную сторону от центрального положения увеличивает или уменьшает напряжение во вторичной подвижной катушке. Этот тип регулятора может быть автоматизирован с помощью сервопривода для изменения положения подвижной катушки и, соответственно, увеличения или уменьшения напряжения. Для удержания вращающейся катушки в заданном положении, несмотря на сильные магнитные силы, действующие на нее, используется тормозной механизм или редуктор с высоким передаточным числом.

Электромеханические

Электромеханические регуляторы, называемые стабилизаторами напряжения или переключателями отводов, также используются для регулирования напряжения в сетях распределения переменного тока. Эти регуляторы работают, используя сервомеханизм для выбора подходящего отвода на автотрансформаторе с несколькими отводами или перемещая ползунок на непрерывно регулируемом автотрансформаторе. Если выходное напряжение выходит за допустимые пределы, сервомеханизм переключает отвод, изменяя коэффициент трансформации, чтобы вернуть вторичное напряжение в допустимый диапазон. Устройства управления имеют зону нечувствительности, в пределах которой они не реагируют, предотвращая постоянную корректировку напряжения регулятором ("охоту") при незначительных допустимых колебаниях.

трансформатор постоянного напряжения

Феррорезонантный трансформатор, феррорезонантный регулятор или трансформатор постоянного напряжения – это тип насыщающегося трансформатора, используемый в качестве регулятора напряжения. Эти трансформаторы используют колебательный контур, состоящий из резонансной обмотки высокого напряжения и конденсатора, для получения почти постоянного среднего выходного напряжения при изменяющемся входном токе или изменяющейся нагрузке. Схема имеет первичную обмотку на одной стороне магнитного шунта и настроенный колебательный контур и вторичную обмотку – на другой. Регулирование происходит за счет магнитной насыщенности в секции вокруг вторичной обмотки. Насыщающиеся трансформаторы обеспечивают простой и надежный способ стабилизации источника питания переменного тока. Более ранние конструкции феррорезонантных трансформаторов имели выход с высоким содержанием гармоник, что приводило к искаженной форме выходного сигнала. Современные устройства используются для формирования идеальной синусоиды. Феррорезонансное действие является ограничителем потока, а не регулятором напряжения, но при фиксированной частоте питания оно способно поддерживать почти постоянное среднее выходное напряжение, даже при значительном изменении входного напряжения. Феррорезонантные трансформаторы, также известные как трансформаторы постоянного напряжения (CVT) или "ферросы", также являются эффективными подавителями импульсных помех, обеспечивая высокую изоляцию и встроенную защиту от короткого замыкания. Феррорезонантный трансформатор может работать в диапазоне входного напряжения ±40% или более от номинального напряжения. Коэффициент мощности на выходе остается в пределах 0,96 или выше от полунагрузки до полной нагрузки. Поскольку он восстанавливает форму выходного напряжения, искажения выходного сигнала, обычно менее 4%, не зависят от искажений входного напряжения, включая провалы напряжения. Эффективность при полной нагрузке обычно составляет от 89% до 93%. Однако при малых нагрузках эффективность может снижаться ниже 60%. Ограничение тока также может быть недостатком при использовании CVT в приложениях с умеренным или высоким пусковым током, таких как двигатели, трансформаторы или магниты. В этом случае CVT необходимо выбирать с учетом пикового тока, что приводит к работе при низких нагрузках и низкой эффективности. Требуется минимальное техническое обслуживание, поскольку трансформаторы и конденсаторы могут быть очень надежными. Некоторые устройства оснащены резервными конденсаторами, позволяющими нескольким конденсаторам выйти из строя между проверками без заметного влияния на производительность устройства. Выходное напряжение изменяется примерно на 1,2% при каждом 1% изменении частоты питания. Например, изменение частоты генератора на 2 Гц, что является значительным значением, приводит к изменению выходного напряжения всего на 4%, что оказывает незначительное влияние на большинство нагрузок. Он допускает 100% нагрузку от однофазного импульсного источника питания без необходимости снижения номинальной мощности, включая все нейтральные компоненты. Искажение входного тока остается менее 8% THD даже при питании нелинейных нагрузок с THD тока более 100%. К недостаткам CVT относятся их большие размеры, слышимый гул и высокое тепловыделение, вызванное насыщением.

Распределение энергии

Регуляторы напряжения или стабилизаторы используются для компенсации колебаний напряжения в сети электропитания. Крупные регуляторы могут быть постоянно установлены на распределительных линиях. Небольшие портативные регуляторы подключаются между чувствительным оборудованием и розеткой. Автоматические регуляторы напряжения в генераторных установках поддерживают постоянное напряжение при изменении нагрузки. Регулятор напряжения компенсирует изменение нагрузки. Регуляторы напряжения, используемые в системах распределения электроэнергии, обычно работают в диапазоне напряжений, например, от 150 до 240 В или от 90 до 280 В.

Стабилизаторы напряжения постоянного тока

Многие простые источники питания постоянного тока регулируют напряжение, используя последовательные или шунтовые регуляторы, но большинство применяют опорное напряжение с помощью шунтового регулятора, такого как диод Зенера, диод обратного пробоя или стабилитрон. Каждое из этих устройств начинает проводить ток при определенном напряжении и будет проводить столько тока, сколько необходимо для поддержания напряжения на его выводах на этом уровне, отводя избыточный ток от неидеального источника питания на землю, часто через резистор относительно небольшого номинала для рассеивания избыточной энергии. Источник питания рассчитан на выдачу только максимального тока, который находится в пределах допустимых рабочих характеристик шунтового регулятора. Если стабилизатору требуется обеспечить большую мощность, выход шунтового регулятора используется только для обеспечения стандартного опорного напряжения для электронного устройства, которое и называется стабилизатором напряжения. Стабилизатор напряжения – это электронное устройство, способное выдавать значительно большие токи по запросу.

Регуляторы переключения

Импульсные регуляторы быстро включают и выключают последовательное устройство. Рабочий цикл переключателя определяет количество заряда, передаваемого нагрузке. Управление осуществляется аналогичным механизмом обратной связи, как и в линейном регуляторе. Поскольку последовательный элемент либо полностью открыт, либо выключен, он практически не рассеивает мощность, что и обеспечивает высокую эффективность импульсного преобразования. Импульсные регуляторы также способны генерировать выходные напряжения, превышающие входные, или имеющие противоположную полярность – что невозможно в линейной схеме. В импульсных регуляторах проходной транзистор используется как "управляемый переключатель" и работает в режиме отсечки или насыщения. Следовательно, мощность, передаваемая через проходной транзистор, поступает в виде дискретных импульсов, а не постоянного тока. Более высокая эффективность достигается за счет того, что проходной транзистор работает как переключатель с низким сопротивлением. Когда транзистор находится в режиме отсечки, ток отсутствует и он не рассеивает мощность. Аналогично, когда транзистор находится в режиме насыщения, на нем падает незначительное напряжение, и, следовательно, рассеивается лишь небольшое количество средней мощности, обеспечивая максимальный ток для нагрузки. В любом случае, потери мощности в проходном транзисторе очень малы, и почти вся мощность передается нагрузке. Таким образом, эффективность импульсного источника питания значительно высока и находится в диапазоне 70–90%. Импульсные регуляторы используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для управления средним значением выходного напряжения. Среднее значение повторяющейся импульсной формы сигнала зависит от площади под кривой. При изменении рабочего цикла среднее значение напряжения изменяется пропорционально. Как и линейные регуляторы, практически полные импульсные регуляторы также доступны в виде интегральных схем. В отличие от линейных регуляторов, они обычно требуют индуктор, выполняющий функцию элемента накопления энергии. Интегральные регуляторы объединяют источник опорного напряжения, операционный усилитель с обратной связью, проходной транзистор с ограничением тока при коротком замыкании и защитой от тепловой перегрузки. Импульсные регуляторы более подвержены выходному шуму и нестабильности, чем линейные регуляторы. Однако они обеспечивают гораздо более высокую энергоэффективность по сравнению с линейными регуляторами.

Регуляторы SCR

Регуляторы, питаемые от цепей переменного тока, могут использовать в качестве последовательного элемента кремниевые управляемые выпрямители (SCR). Когда выходное напряжение падает ниже требуемого значения, SCR открывается, пропуская ток в нагрузку до тех пор, пока напряжение сети переменного тока не достигнет нуля (завершая полупериод). Регуляторы на SCR отличаются высокой эффективностью и простотой, однако из-за невозможности прервать текущий полупериод проводимости они не обеспечивают точного регулирования напряжения при быстро изменяющейся нагрузке. Альтернативой является шунтный регулятор на SCR, использующий выходное напряжение регулятора в качестве управляющего сигнала. Как последовательные, так и шунтные схемы отличаются повышенным уровнем шума, но при этом обладают высокой мощностью благодаря низкому сопротивлению в открытом состоянии.

Комбинированные или гибридные регуляторы

Многие источники питания используют несколько методов регулирования последовательно. Например, выход коммутационного регулятора может быть дополнительно стабилизирован линейным регулятором. Коммутационный регулятор принимает широкий диапазон входных напряжений и эффективно генерирует (слегка зашумленное) напряжение, немного превышающее требуемое выходное. За ним следует линейный регулятор, который генерирует точно требуемое напряжение и устраняет почти весь шум, создаваемый коммутационным регулятором. В других конструкциях может использоваться SCR-регулятор в качестве "предварительного регулятора", за которым следует регулятор другого типа. Эффективным способом создания источника питания с переменным напряжением и точной выходной мощностью является комбинация трансформатора с несколькими отводами и регулируемого линейного стабилизатора.