Меню

Автотрансформатор как стабилизатор напряжения

Автотрансформатор как стабилизатор напряжения

Необходимость иметь стабилизированное переменное напряжение в радиолюбительской практике возникает довольно часто. Осуществить стабилизацию можно разными способами.

Уже давно известны так называемые феррорезонансные стабилизаторы, осуществляющие компенсацию изменений напряжения за счет энергии, накопленной в реактивных элементах (конденсаторе и дросселе насыщения). Именно на таком принципе построено большинство промышленных стабилизаторов для телевизоров.

В последнее время среди радиолюбителей широкое распространение получили стабилизаторы переменного напряжения с применением полупроводниковых элементов — динисторов, тринисторов, транзисторов, основные принципы работы которых — регулирование за счет изменения угла отсечки тока или за счет симметричного ограничения напряжения.

Названные типы стабилизаторов имеют свои преимущества (например, высокий коэффициент стабилизации в тринисторных схемах), однако имеют и существенные недостатки. Так, для всех перечисленных устройств характерен высокий коэффициент нелинейных искажений формы кривой выходного напряжения. Если не приняты специальные меры по фильтрации выходного напряжения, то работа таких стабилизаторов на любую нагрузку, кроме активной (лампа, нагреватель), не представляется возможной.

От перечисленных недостатков свободен предлагаемый электромеханический стабилизатор на основе лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа), который является более простым и доступным для повторения радиолюбителями средней квалификации, чем чисто электронные схемы.

Стабилизатор дает возможность получать любое значение стабилизированного переменного напряжения от 80 до 230 В. Точность поддержания выходного напряжения несколько зависит от его номинала, но в любом случае при изменении напряжения питающей сети от 50 до 250 В она не менее чем ±3%.

Стабилизатор представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования (САР), основным элементом которой (регулирующим элементом САР) является автотрансформатор Т1 типа ЛАТР-9А (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема стабилизатора

Схема его включения — обычная. Стабилизированное напряжение снимается с зажимов «Нагрузка». Ось вращения подвижного контакта автотрансформатора связана с вторичным валом асинхронного реверсивного электродвигателя типа РД-09 (редукция 1/670). Такой двигатель применяется в самопишущих потенциометрах ЭПП-09 и КСП-4. Обмотки возбуждения двигателя через контакты промежуточных реле К1 и К3 могут подключаться к выводу «127 В» автотрансформатора. Управление промежуточным реле осуществляется с помощью поляризованного реле К2, якорь которого может находиться либо в нейтральном, либо в одном из крайних положений. В нейтральном положении якоря К2 оба реле К1 и К3 обесточены, их контакты К1.1 и К3.1 разомкнуты, питание ни на одну из обмоток двигателя не подается и его вал неподвижен. Вращение вала двигателя, а следовательно, и движение подвижного контакта ЛАТРа в ту или другую сторону происходит при замыкании якоря К2 с правым П или левым Л контактами.

Обмотка реле К2 включена в диагональ моста, образованного резисторами R6 и R7 и стабилитронами V5— V8. Питание моста осуществляется от напряжения, снимаемого с зажимов «Нагрузка» ЛАТРа. Это напряжение подается на мост через выпрямительные диоды V1— V4 и балластные резисторы R4 и R5. С помощью резистора R5 осуществляется изменение уставки выходного напряжения стабилизатора. Параллельно мосту включен фильтрующий конденсатор С5.

Стабилизатор работает следующим образом. В нормальном состоянии мост сбалансирован. При этом сила тока через обмотку реле К2, которое включено в диагональ моста, равна нулю. Якорь этого реле находится в нейтральном положении, реле К1 и К3 выключены, обмотки двигателя обесточены, и вал неподвижен. При отклонении напряжения сети, а следовательно, и выходного напряжения, в ту или другую сторону пропорционально ему будет изменяться напряжение на кондесаторе С5. Это приведет к разбалансу моста, так как напряжение на резисторах R6 и R7 изменится, а на стабилитронах — останется прежним. Через обмотку реле потечет ток, направление которого будет зависеть от знака изменения напряжения сети. В зависимости от этого якорь реле К2 замкнется с правым или левым контактом. При этом включится реле К1 или К3 и двигатель, который будет перемещать подвижный контакт ЛАТРа до тех пор, пока напряжение на зажимах «Нагрузка» (а следовательно, и напряжение на конденсаторе С5) не вернется к прежнему значению.

Читайте также:  Напряжения в прямоугольных пластинах

Ручную регулировку выходного напряжения можно осуществить с помощью кнопок S2 «Больше» и S3 «Меньше». При этом тумблер S1 питания схемы автоматики должен быть обязательно выключен.

Параметры стабилизатора (точность поддержания выходного напряжения, постоянная времени регулирования, вид характеристики регулирования) зависят от выбора элементов. Так, точность поддержания напряжения определяется в основном чувствительностью реле К2. Поэтому желательно применять реле с минимальной силой тока срабатывания. В стабилизаторе, построенном автором, использовано реле с силой тока срабатывания 0,12—0,18 мА. Реле имеет несколько обмоток, которые с целью увеличения чувствительности соединены последовательно. Это реле РПС-5, паспорт РС4.522.307. Однако вместо него может быть использовано поляризованное реле любого типа с нейтральным положением якоря и силой тока срабатывания 0,1 — 0,2 мА. Можно использовать также два неполяризованных реле с нормально разомкнутыми контактами, например герконовых, обладающих малой силой тока срабатывания, включив их, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Схема включения двух неполяризованных реле К’ и К» вместо одного поляризованного К2

Реле К1 и К3 — РЭС-9, паспорт РС4.524.204.

Постоянная времени регулирования зависит от постоянной времени заряда и разряда конденсатора С5, времени срабатывания реле К1—К3, скорости вращения вала двигателя. С этой точки зрения наличие промежуточных реле К1 и КЗ нежелательно. Однако здесь более важным является тот факт, что поляризованные реле имеют обычно малые значения силы коммутируемых токов и непосредственная коммутация обмоток двигателя с помощью этого реле привела бы к быстрому выходу из строя контактной группы. Тем более, что изменение силы тока в диагонали моста, куда включено это реле, происходит плавно, следовательно, так же плавно отклоняется и якорь реле. Такой режим работы реле при коммутации индуктивной нагрузки, каковой является двигатель, обязательно будет сопровождаться сильным искрением. Таким образом, промежуточные реле К1 и К3, позволяющие коммутировать большие мощности, облегчают режим работы реле К2.

Для уменьшения помех, возникающих при работе реле К1 и К3, их контакты зашунтированы «искрогасящими» RC цепями R1C1, R2C2. Тип конденсаторов в этих цепях — любой, с рабочим напряжением не менее 200 В. Мощность рассеивания резисторов R1 и R2 — 0,5 Вт. Остальные резисторы в схеме должны иметь мощность рассеивания не менее 1 Вт. Конденсатор С3 может быть МБ1, К75-10, К73-П2 с рабочим напряжением не менее 250 В. Стабилитроны — любые. Напряжение на них должно быть 30—33 В. Этим напряжением определяется нижний предел стабилизированного напряжения, которое возможно получить на выходе устройства.

Наиболее дефицитной деталью является электродвигатель РД-09. Однако в устройстве возможно применение двигателей и других типов, в частности, даже микродвигателя от электрифицированных игрушек. Схема подключения этого двигателя приведена на рис. 3.

Вал двигателя соединяют с осью ЛАТРа через понижающий редуктор с коэффициентом редукции примерно 1/100.

Общий вид ЛАТРа с установленным на нем электродвигателем показан на рис. 4.

Чертежи отдельных деталей, необходимых для закрепления двигателя, приведены на рис. 5.

Рис. 5. Плата крепления двигателя (2), шпилька (6) и втулка (8)

Порядок сборки следующий: двигатель 1 (см. рис. 4) крепят на плате 2 с помощью четырех винтов 3. В лимбе 4 ЛАТРа 5 сверлят четыре отверстия с резьбой М5, в которые вворачивают шпильки 6 с нижними контргайками 7. На вал двигателя надевают втулку 8 и крепят ее сначала одним стопорным винтом 9. Плату с двигателем и закрепленной на его валу втулкой устанавливают на шпильки и закрепляют верхними гайками 7. Затем устанавливают подвижный контакт ЛАТРа в нужное положение и закрепляют второй стопорный винт на втулке.

Остальные детали стабилизатора, в том числе и конденсатор С3, размещают на отдельном шасси, конструкция которого произвольна.

Проверку и регулирование стабилизатора проводят следующим образом. Отключают тумблер S1 и с помощью кнопок S2 и S3 устанавливают на выходе стабилизатора необходимое напряжение, например 220 В, контролируя его по вольтметру. Затем отключают обмотку реле К2 от моста и на место этого реле включают вольтметр на 5—10 В с достаточно большим входным сопротивлением (подойдет тестер Ц435 или Ц4312). Включают тумблер S1 и с помощью резистора R5 добиваются баланса моста, т. е. нулевого показания прибора. При этом по мере уменьшения показаний необходимо переходить на меньший предел измерения — это обеспечит большую точность балансировки. Затем, отключив прибор или переключив его на больший предел, увеличивают (уменьшают) с помощью кнопок ручной регулировки выходное напряжение на 3—5% от установленного ранее. При этом тумблер S1 отключать не нужно. После этого подсоединяют на место обмотку реле К2. Электродвигатель должен начать вращаться, и выходное напряжение должно приблизиться к выставленному ранее значению. Если напряжение начнет изменяться в другую сторону, то необходимо поменять местами концы обмотки реле К2, либо провода, подходящие от двигателя к нормально разомкнутым контактам реле К1 и К3.

Читайте также:  Повышенное напряжение дежурки atx блока питания

Убедившись в правильности работы стабилизатора, можно, повернув движок потенциометра R5 до упора вправо и влево, проверить и при необходимости подрегулировать подбором резистора R4 предельные значения стабилизированного напряжения. Если предполагается часто изменять уставку выходного напряжения, то резистор R5 целесообразно снабдить шкалой, проградуированной непосредственно в вольтах.

Источник

Что такое автотрансформатор?

С развитием энергетики и связанных с ней электрических сетей для передачи переменного тока, как источника питания для различных устройств, возникла необходимость в приборах, изменяющих величину напряжения. Такими универсальными электромагнитными устройствами, позволяющими повышать или понижать исходное напряжение до требуемой величины, стали трансформаторы.

Со временем, для обеспечения стабильной работы электроприборов, преимущественно бытового назначения, возникла необходимость плавного регулирования напряжения. Это стало возможным после того, как был изобретён автотрансформатор – устройство, в котором вторичная обмотка является составной частью первичных витков.

Что такое автотрансформатор?

Из школьного курса физики известно, что простейший трансформатор состоит из двух катушек, намотанных на железные сердечники. Магнитным полем переменного тока, запитанного через выводы первичных обмоток, возбуждаются электромагнитные колебания во второй катушке, с аналогичной частотой.

При подключении нагрузки, к выводам рабочей обмотки, она образует вторичную цепь, в которой возникает электрический ток. При этом напряжение в образованной электрической цепи связано прямо пропорциональной зависимостью с количеством витков обмоток. То есть: U1/U2 = w1/w2 , где U1, U2 – напряжения, а w1, w2 – количество полных витков в соответствующих катушках.

Рисунок 1. Схема обычного трансформатора и автотрансформатора

Немного по-другому устроен автотрансформатор. Он, по сути, состоит из одной обмотки, от которой сделано один или несколько отводов, образующих вторичные витки. При этом все обмотки образуют между собой не только электрическую, но и магнитную связь. Поэтому, при подаче электрической энергии на вход автотрансформатора, возникает магнитный поток, под действием которого происходит индукция ЭДС в обмотке нагрузки. Величина электродвижущей силы связана прямой пропорциональностью с числом витков, образующих нагрузочную обмотку, с которой снимается напряжение.

Таким образом, формула, приведённая выше, справедлива и для автотрансформатора.

Из основной обмотки можно отводить большое количество выводов, что позволяет создавать комбинации для снятия различных по величине напряжений. Это очень удобно на практике, так как понижение напряжения часто требуется для питания нескольких блоков электроприборов, использующих различные напряжения.

Отличие автотрансформатора от обычного трансформатора

Как видно из описания автотрансформатора, главное его отличие от обычного трансформатора – отсутствие второй катушки с сердечником. Роль вторичных обмоток выполняют отдельные группы витков, имеющих гальваническую связь. Эти группы не требуют отдельной электрической изоляции.

У такого устройства есть определённые преимущества:

  • сокращён расход цветных металлов, используемых на изготовление такого оборудования;
  • передача энергии осуществляется путём воздействия электромагнитного поля входного тока, и благодаря электрической связи между обмотками. Следовательно, потеря энергии оказывается ниже, поэтому у автотрансформаторов наблюдаются более высокие КПД;
  • малый вес и компактные габариты.

Несмотря на конструкционные различия, принцип работы этих двух типов изделий остаётся неизменным. Выбор типа трансформатора зависит, прежде всего, от целей и задач, которые приходится решать в электротехнике.

Читайте также:  Напряжение 12 в что это конвектор

Типы автотрансформаторов

В зависимости от того в каких сетях (однофазных или трёхфазных) требуется изменить напряжение, используют соответствующий тип автотрансформаторов. Они бывают однофазными либо трёхфазными. Для трансформации тока с трёх фаз можно установить три автотрансформатора, предназначенных для работы в однофазных сетях, соединив их выводы треугольником или звёздочкой.

Схема соединений обмоток трансформатора

Существуют типы лабораторных автотрансформаторов, позволяющих плавно изменять значения по выходному напряжению. Такой эффект достигается путём перемещения ползунка по поверхности открытой части однослойной обмотки, наподобие принципа работы реостата. Витки проволоки наносятся вокруг кольцеобразного ферромагнитного сердечника, по окружности которого и перемещается контактный ползунок.

Автотрансформаторы подобного типа массово применялись на просторах СССР в эпоху массового распространения ламповых телевизоров. Тогда напряжение сетей было нестабильно, что вызывало искажения изображений. Пользователям этой несовершенной техники приходилось время от времени подстраивать напряжение до уровня 220 В.

До появления стабилизаторов напряжения, единственной возможностью достичь оптимальных параметров питания для бытовой техники того времени, было применение ЛАТР. Данный тип автотрансформаторов используется и сегодня в различных лабораториях и учебных заведениях. С их помощью осуществляется наладка электротехнического оборудования, тестируется аппаратура с высокой чувствительностью и выполняются другие задачи.

В специальном оборудовании, где нагрузки незначительны, применяются модели автотрансформаторов ДАТР.

Автотрансформатор ЛАТР

Существуют также автотрансформаторы:

  • малой мощности, для работы в цепях до 1 кВ;
  • среднемощные агрегаты (больше 1 кВ);
  • высоковольтные автотрансформаторы.

Следует заметить, что с целью безопасности ограничено использование автотрансформаторов в качестве силовых трансформаторов, для снижения до 380 В напряжений, превышающих 6 кВ. Это связано с наличием гальванической связи между обмотками, что не безопасно для конечного потребителя. При авариях не исключено, что высокое напряжение попадёт на запитанное оборудование, что чревато непредсказуемыми последствиями. В этом кроется основной недостаток автотрансформаторов.

Обозначение на схемах

Отличить автотрансформатор на схеме от изображения обычного трансформатора очень легко. Признаком является наличие единственной обмотки связанной с одним сердечником, обозначенным жирной линией на схемах. По одну или по обе стороны этой лини схематически изображены обмотки, но в автотрансформаторе все они соединены друг с другом. Если на схеме витки изображены автономно, то речь идёт об обычном трансформаторе (см. рисунок 1).

Устройство и конструктивные особенности

Как было отмечено выше, автотрансформатор состоит из одной катушки. Её наматывают на обычный или на тороидальный сердечник.

В силу конструктивных особенностей у него отсутствуют гальванические развязки между цепями, что может привести к поражению высоковольтным током. Поэтому понижающий автотрансформатор, ввиду его повышенной опасности, требует принятия дополнительных мер по защите от поражения электротоком. Работа с ним допускается при условии строгого соблюдения правил безопасности.

Принцип действия автотрансформатора

Несмотря на особенности строения обмоточной части агрегата, его принцип действия очень напоминает работу обычного трансформатора. По такому же принципу во время циркуляции переменного тока возникает магнитный поток в сердечнике. Его действие на обмотку характеризуется появлением на каждом отдельном витке равновеликой электродвижущей силы. Суммарная ЭДС на отрезке обмотки равна сумме величин токов всех отдельно взятых витков.

Особенностью является то, что по обмотке циркулирует ещё и первичный ток, который оказывается в противофазе к индукционному потоку. Результирующие значения этих токов на участке обмотки, предназначенной для потребителя, получаются меньшими (для понижающего тр.) чем параметры поступающего электричества.

Схема понижающего автотрансформатора

Соотношение величин ЭДС выражается формулой: E1/E2 = w1/w2 = k , где E – ЭДС, w – количество витков, k – коэффициент трансформации.

Учитывая то, что падение напряжений в обмотках трансформатора невелико – его можно не учитывать. В таком случае равенства: U1 = E1; U2 = E2 можно считать справедливыми. Таким образом, приведённая выше формула приобретает вид: U1/U2 = w1/w2 = k, то есть, соотношение напряжений к числу витков такое же, как и для обычного трансформатора.

Не вдаваясь в подробности, заметим, что отношение силы тока верхней катушки к току нагрузки, как и для обычного трансформатора, выражается формулой: I1/I2 = w2/w1 = 1/k. Отсюда следует, что поскольку в понижающем трансформаторе w2

Источник

Adblock
detector