Стабилизатор на мрежово напрежение ~220V
Част VII: Конструктивни особености

    В продължение на поредицата "Стабилизатор на мрежово напрежение" част IV, V и VI, разгледах релейнотрансформаторния метод с волтодобавка за стабилизиране на мрежово напрежение. Целта ми беше да извървя пътя от по-простото към по-сложното решение и практически да измеря резултата от всяка нова волтодобавка, в такъв смисъл прецизността не беше приоритет. Но в процеса на изпълнение на описаните стабилизатори срещнах практически затруднения, които искам да споделя, тъй като те са важна част от общото описание и прецизират изработката на такова полезно устройство.

    Основните особености се крият в отдаваната изходна мощност, реалното напрежение и ток, които се изискват от волтодобавъчните намотки и не на последно място потушаване на искренето при превключване на контактните групи. Ще се наложи в следващите обяснения да включа и някои изчисления.

    1. Полезна изходна мощност в зависимост от напрежението и тока.

    На първо място искам да отбележа, че мощността не остава една и съща при спадане на мрежовото напрежение. Например, ако при ~220V изходната мощност е 1000VA, то при напрежение ~155V, тя е 500VA, тоест спада два пъти, независимо, че напрежението спада 1,41 пъти (√2). От гледна точка на прочутите формули, произтичащи от Закона на Ом и по-специално зависимостта на мощността от промяната на тока, съпротивлението на товара или напрежението, е редно да се каже: мощността спада с квадрата на напрежението:

    Тоест, ако приложим формулите, произтичащи от Закона на Ом, мощността върху товара ще спадне два пъти при намаляване на входното напрежение от ~220V на ~155V.

    Тук е мястото да отбележа, че при определяне на необходимата мощност на стабилизатора, трябва да имаме предвид необходимия за целта ток. Тоест, ако трансформаторът ни е 300VA, при волтодобавка от 60V, той ще осигурява ток 5А, при който ще получим изходна мощност на стабилизатора 1100 вата, но ако мрежовото напрежение спадне до 155V, мощността също ще спадне 2 пъти, тоест 550VA. В част V описах по-подробно зависимостта на мощността от прилагането на всяка следваща волтодобавка, поради което тук няма да се спирам отново.

    Производителите на фабрични стабилизатори, обикновено прилагат в Инструкцията за употреба графика на зависимостта на изходната мощност от промяната/намалението на мрежовото напрежение. Аз, лично, съветвам моите приятели, просто да имат предвид, че не бива да товарят стабилизатора си с повече от 50% от неговата максимална мощност.

    Например, ето една такава графика:

    2. Необходимо напрежение на волтодобавъчните намотки.

    Основен параметър при определяне на напрежението на волтодабавките е стъпката между избраните напрежения, например, ако тя е 20V, то превкючванията са примерно 140,160,180,200,220,240,260 волта или други избрани от вас. Аз ще обясня как се изчисляват стойностите на напреженията на волтодобавъчните намотки в моите конструкции. За основен пример ще използвам стабилизатора с три волтодобавки през 20 волта.

    Ако напрежението на волтодобавката при входно напрежение ~220V е ~20V, то при спадане на входното напрежение ще спадне и напрежението във вторичната намотка. Ако отбележим с U1 това напрежение, а с U2 по-ниското (примерно 220V и съответно 200V), то отношението на двете напрежения се представя с коефициент - К, който се прилага и към вторичното напрежение, за да се запази неговата стойност (20V):

    K = U1/U2 = 220/200 = 1,1 пъти. Тоест точно с толкова трябва да се увеличи вторичното напрежение, щото при напрежение ~200V, то да запази стойността си от ~20V:

    Прилагаме коефициента K и получаваме правилната стойност на напрежението на необходимата волтодобавка за първата стъпка (намаление на мрежовото напрежение от 220 до 200 волта): Ud = K x 20 = 1,1 x 20 = 22V

    Прилагаме същата формула за втората стъпка на намаляване на входното напрежение от ~200V на ~180V и получаваме коефициент на намаляване K=200/180 = 1.11, съответно този коефициент към вторичното напрежение Ud = K x 22 = 1,11 x 22 = 24,5 волта. Напрежението на втората волтодобавка отново приемаме като закръглена стойност от 25V.

Изчисляваме по вече така показаната методика и третата волтодобавка при спадане на мрежовото напрежение до ~160V, а именно K=180/160 = 1.125x25 = 28V.

    Трябва да имаме предвид, че при спадане на мрежовото напрежение, спада не само мощността, а и коефициента на полезно действие с около 5-10%. Тоест би следвало към всяка от изчислените стойности на стъпките да добавим още 5-10% за покриване на загубите. Тези стойности се променят приблизително както следва: стъпка 25 волта - на 26,5 волта, а стъпка 28 волта - на около 30,8 волта.

P2, W КПД
1-3 0,77
3-5 0,80
5-8 0,83
8-10 0,84
10-20 0,85
20-50 0,87
50-200 0,90

    Това са практически формули, в които участва само коефициента на предаване при спад на мрежовото напрежение, но макар и приблизителни, те дават достатъчно голяма точност за тези цели. Накрая, обобщеният резултат от всички изчисления има следния вид:

    • Ако сме планували да конструираме стабилизатор с волтодобавъчно напрежение с три намотки за волтодобавка при спад на входното мрежово напрежение от ~220V до ~160V, трансформаторът, който ни е необходим трябва да осигурява чрез три вторични намотки напрежения 22V + 26V + 31V, общо около 79V. Повтарям: тези стойности са приблизителни.

    След като направих тези приблизителни изчисления, реших на практика да ги измеря. По този начин щях да установя тяхната достоверност. За целта закупих (с изключителна трудност) три маломощни трансформаторчета по 5-10VA с напрежения на вторичните намотки:

        2 x 11V = 22V,
        2 x 12V = 24V,
        2 x 15V = 30V.

    Или по такъв начин свързвайки в паралел първичните намотки за ~220V и последователно вторичните намотки на трите трансформатора получих 22+24+30 волта, общо 76 волта. Тази стойност е почти същата като изчислената поради наличния трансформатор с вторична намотка за 24V, но практически тази грешка е пренебрежимо малка за експеримента. Тези стойности на напреженията бяха изключително близки до изчислените по-горе за необходимите волтодобавъчни намотки. Разбира се, следващата стъпка беше да извърша съответните измервания с така получената опитна постановка. Разположих трансформаторите на работния плот, запоих изводите и свързах първичните намотки с латера, за чийто изход предварително бях свързвал променливотоков панелен волтметър за да имам достатъчно голяма точност при промяната на приложеното към тях напрежение.

    Но ето какво се получи на практика:

Сн. 1: без волтодобавка Сн. 2: с една волтодобавка 22V

 
 

Сн. 3: с волтодобавки 22V + 24V Сн. 4: с волтодобавки 22V + 24V + 30V

    С този експеримент доказах практически съответствието на предварително изчислените напрежения, необходими като волтодобавка при промяна на мрежовото напрежение от 160V до 220V.


    3. Искрогасене на контактите на релетата

    Аз вече споменах, че има различни методи за потушаване на искренето на контактите. Най-елементарният, прилаган десетки години, откакто съществува електротехниката и релето като превключващо контактно устройство, е включване на искрогасяща група към контактите. Друг метод е добавяне на цифрови ИС и детектор на преминаване на полувълната през нулата, който допуска на изхода към релетата импулс за превключване именно в момента на нулата. Както казах и преди, това усложнява електронното управление на стабилизатора. Трети метод е използването на безконтактни елементи, при което схемата придобива сериозна сложност, а при използването на симистори излъчванията представляват сложна ниско- и високо- честотна "музика", която е много трудна за отстраняване в домашната лаборатория.

    Аз използвах класическия метод за искрогасящата група, на която можете да обърнете внимание в част III и част IV:

    Резистивно-капацитивната група R1-C1 е включена между превключващите контакти на двете релета. Аз използвам такива групи на всеки две релета. А на стабилизатора, описан в част VI, прилагам в паралел на контактните групи единствено кондензатор от 33nF. Избраните кондензатори са с високо пробивно напрежение, минимум 400V за да може те да устоят на пиковете. Аз съм употребил кондензатори 33nF/630V.

    4. Настройка на праговете на превключване на волтодобавъчните намотки

    Във всички мои конструкции съм заложил на идеята в интервала на промяна на мрежовото напрежение от ~210V до ~230V на изхода на стабилизатора да се подава директно същото напрежение без промяна, тоест без никаква друга комутация. Това съм осъществил чрез настройките на праговете на сработване на релетата образувайки прозорец.

    Например, ако мрежовото напрежение нараства, то първата волтодобавка от 20 волта се включва в противофаза когато то достигне 230 волта, което означава, че в момента на превключване на релейната контактна група към изхода на стабилизатора се подава разликата 230V-20V=210V. При по-нататъшно увеличаване при 240V ще получим на изхода 220V, а при 250V съответно 230V.

    Обратно, ако мрежовото напрежение спада, когато достигне стойност 210 волта със съответната релейна контактна група се добавя напрежение 20 волта от първата волтодобавка и на изхода на стабилизатора се подава 210V+20V=230V.

    Ако мрежовото напрежение продължи да спада, е очевидно че при достигане на стойност от 200V, с добавяне на волтодобавка от 20V на изхода се получава напрежение от 220 волта.

    Подобно е действието на волтодобавкатите и при следващ спад на входното мрежово напрежение, като при напрежение 190V се добавя още една волтодобавка или общо 40V, като на изхода на стабилизатора резултантното напрежение е 190V+40V=230V. И отново при спад до 180 волта, на изхода ще се получи стабилизирано напрежение от 180V+40V, тоест 220V.

    Аналогично при спад до 170V се добавя волтодобавъчно напрежение 170V+60V, а на изхода на стабилизатора се получава 230V. При мрежово напрежение 160V, изходното стабилизирано напрежение е 220V.

    С едно изречение – при волтодобавка 20 волта, трите прага на сработване са съответно в низходящ ред: 210V, 190V, 170V при които се получава изходно напрежение 230V.

    Както споменах и в предишните части на тази статия интервалът 210V-230V определя точност на изходното стабилизирано напрежение 220V, +/-5% (220V, +/-10V). Този интервал се пренася чрез волтодобавъчното напрежение от 20V при всяка следваща стъпка при намаляване на напрежението, както следва:

        210V-230V остава непроменено на изхода
        230V-250V се стабилизира като 210V-230V
        190V-210V се стабилизира като 210V-230V
        170V-210V се стабилизира като 210V-230V
        150V-210V се стабилизира като 210V-230V, като при 160V изходното е 220V.

    Настройката е елементарна и трае 2-3 минути. Посредством тример потенциометрите чрез намаляване на подаваното с латер напрежение на входа на стабилизатора се настройват праговете на сработване на трите релета за: 210V, 190V, 170V, а в посока увеличаване над 220V се настройва на праг 230V.

    Внимание: Методиката е безупречна, а точно този резултат се получава на практика като се използват волтодобавъчните напрежния описани в т. 2.

    Няколкократно споменавах конструкциите на руския радиолюбител Виталий Кравцов и със следващата принципна схема ще покажа използването на цифрови ИС, които позволяват превключване на контактите на релетата точно при преминаване на фазата през нулата, с което се гарантира пълната липса на искрене. Една от неговите разработки е показателна:

    А тук може да намерите повече информация: Стабилизаторы переменного напряжения / www.kravitnik.narod.ru

    Архив [zip,pcb,jpg][5,1mb]
 

Валери Терзиев
19 април 2016 година, доп. 12 май 2016 година