Virbactd.ru

Авто шины и диски
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как можно регулировать постоянный ток

Как можно регулировать постоянный ток

Автономные вентильные преобразователи связаны с мощной электрической сетью переменного тока: в качестве источника энергии автономные преобразователи используют источники постоянного тока. Таким источником может быть выпрямитель, преобразующий энергию сети переменного тока, аккумуляторы или другие источники постоянного тока. Автономные преобразователи работают на тономную, отделенную от других источников энергии нагрузку постоянного или переменного тока.

Основными типами автономных преобразователей являются импульсные преобразователи постоянного напряжения, у которых на входе и выходе постоянное напряжение, и инверторы — преобразователи постоянного тока в переменный.

При питании от источников постоянного напряжения для регулирования мощности постоянного тока в нагрузке с высоким КПД используются импульсные преобразователи (регуляторы) постоянного напряжения с ключевым режимом работы.

На рис. 9.1, а приведена схема такого преобразователя на идеальном ключе, включенном последовательно с нагрузкой (активная нагрузка). При периодическом замыкании и размыкании ключа Кл напряжение на нагрузке принимает вид прямоугольных импульсов с амплитудой, равной ЭДС питания Е.

Отношение периода следования импульсов Т к длительности импульса называется скважностью (см. § 3.1): Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения .

Рис. 9.1. Схема и временные диаграммы импульсного преобразователя постоянного напряжения при работе на активную (а) и активно-индуктивную (б) нагрузки

Изменением длительности включенного и выключенного состояния ключа К можно воздействовать на среднее и действующее значения напряжения на нагрузке.

Среднее напряжение на нагрузке

Действующее значение напряжения

Примером активной нагрузки могут служить электрические лампы накаливания и электрические печи сопротивления. Для тех и других существенно действующее значение напряжения. Для нагрузки типа двигателя постоянного тока, аккумуляторной батареи и нагрузки, работающей со сглаживающими фильтрами, важно среднее значение напряжения.

Если нагрузка носит индуктивный характер (например, содержит дроссель для сглаживания выпрямленного напряжения или для ограничения пульсаций тока якоря двигателя постоянного тока), то для того, чтобы при разрыве цепи не было опасных перенапряжений, она шунтируется диодом V0 (рис. 9.1,б). При этом ток в нагрузке становится непрерывным, протекая то через источник Е, когда ключ замкнут (на интервале энергия запасается в нагрузке), то через шунтирующий диод, когда ключ разомкнут (на интервале часть энергии, запасенной в нагрузке, рассеивается). При идеальном ключе напряжение на нагрузке имеет форму прямоугольных импульсов, а ток пульсирует, изменяясь по экспоненциальной зависимости с постоянной времени . При этом среднее и действующее значения напряжения определяются теми же формулами, что и при активной нагрузке.

При активной и активно-индуктивной нагрузках среднее значение тока в нагрузке находится по среднему значению напряжения на нагрузке:

Возможны два способа регулирования выходного напряжения:

широтно-импульсное регулирование (ШИР), когда для изменения среднего значения тока и напряжения нагрузки изменяют длительность замкнутого состояния ключа при постоянном периоде повторения (рис. 9.2,а, б);

частотно-импульсное регулирование (ЧИР), когда изменяют частоту повторения при постоянной длительности импульса , рис. 9.2, а, в).

В обоих случаях воздействуют на , что приводит к изменению среднего и действующего значения напряжения в нагрузке в соответствии с (9.1), (9.2).

Рис. 9.2. Временные диаграммы напряжения и тока в схеме рис. 9.1,б при различных способах регулирования напряжения

В качестве ключей импульсных преобразователей постоянного напряжения можно использовать транзисторы, запираемые (двухопераишоюше) тиристоры и обычные однооперационные тиристоры, снабженные узлами принудительной коммутации, т. е. дополнительными схемными элементами, обеспечивающими выключение тиристоров в заданные моменты времени.

Постоянный и переменный ток. Значение трансформаторов.

Без электричества и электрических приборов уже попросту невозможно представить современный мир. Всё к чему мы так привыкли: освещение, бытовые приборы, компьютеры, телевизоры – так или иначе связано с электропитанием. Однако, стоит отметить, что одни приборы работают от переменного тока, а другие – питаются от источников постоянного тока.

Постоянным током называют ток, который в течение некоторого промежутка времени не меняет своего направления и величины. Таким образом, постоянный ток имеет постоянное напряжение и силу тока.

Читайте так же:
Как часто регулируют клапана на солярисе

Постоянный ток используется:

  • Для передачи электроэнергии на высоковольтных линиях электропередач (например, 500 кВ). Это связано с тем, что если применять переменный ток того же напряжения, с учетом амплитудных значений напряжений и их перепада, то такие напряжения могут превышать величину напряжения постоянного тока в несколько раз. Использование переменного тока в высоковольтных проводах приведет к дополнительным тратам на изоляционные материалы, что значительно увеличит стоимость ЛЭП.
  • В контактных сетях электрического транспорта – троллейбусов и трамваев – до 3000 В.
  • В сетях до 1000 В для электродвигателей с тяжелыми условиями пуска – прокатные станы, центрифуги и прочее.
  • Для электросетей до 500 В, используемых для грузоподъемных механизмов – подъемных электрических кранов.
  • В качестве источника питания различных переносных бытовых приборов – фонарики, аудиоприёмники, диагностические приборы, мультиметры, мобильные телефоны.

постоянный ток

Поток электронов идет строго по прямой линии, никак не колеблясь и не изменяясь. У такого тока нет частоты, потому что нет колебаний. Поток электронов (каждый электрон) двигается строго в одном направлении от «минуса» к «плюсу». Поэтому в батарейках так важно соблюдать полярность. Если подключите два «минуса» или два «плюса», ток просто не потечет.

Стоит отметить, что в условиях тяжелого пуска – то есть если пусковой момент высок, а требуется плавное регулирование скорости, тягового усилия и пускового момента – применяются двигатели постоянного тока. Таковыми, например, являются двигатели электротранспорта, электрических мельниц, центрифуг.

Постоянный ток, чаще всего можно встретить в различных элементах питания – аккумуляторах и батарейках. Скажем, в автомобилях используется аккумуляторы постоянного тока напряжением 12 В; для строительной техники, например, экскаваторов, бульдозеров используются аккумуляторы, имеющие напряжение в 24 В. Аккумулятор мобильного телефона автора статьи – постоянного тока напряжением 3,7 В.

Каждый источник постоянного тока имеет две клеммы или разъема, обозначаемые как плюс (+) и минус (-). Считается, что постоянный ток движется от плюсовой клеммы (+) к минусовой (-), при этом, между ними можно подключить оборудование (например лампочку).

На самом деле, процессы, протекающие в электросети постоянного тока происходят очень быстро, и изобразить их в реальном времени не представляется возможным.

Схематично, действие постоянного тока в простейшей сети, многократно замедленное. Оно дает наиболее полное представление о процессах, происходящих в сети постоянного тока.

Переменный ток – это ток, который за определенный промежуток времени, меняет свое направление. Частота смены направления измеряется в герцах. 1 герц (Гц) означает, что за одну секунду совершен полный цикл смены направления (туда-обратно). В Европейских странах, в том числе и в России, в бытовых электросетях используется однофазный переменный ток, имеющий частоту 50 Гц, то есть меняющий своё направление 100 раз в секунду.

Таким образом, за одну секунду через нить лампы, горящей на обычном письменном столе, ток проходит 50 раз в одном направлении и пятьдесят раз в обратном.

В американских и канадских электросетях используется переменный ток с частотой в 60 Гц, вместо общепринятого переменного тока с частотой в 50 Гц.

Также, как источник постоянного тока имеет две клеммы – плюсовую и минусовую, источник однофазного переменного тока имеет две клеммы или разъема, называемые «фаза» и «ноль».

Кстати, переменный ток в домашней розетке называется однофазным, как раз из-за наличия одного разъема «фаза». Величина напряжения переменного однофазного тока равна 220 В.

Переменный ток действует следующим образом: переменный ток начинает движение из «фазы» в сторону «нуля», доходит до него, останавливается, и затем, движется в обратном направлении.

Особенностями переменного однофазного тока являются:

  • Среднее значение силы переменного тока за период равняется нулю.
  • Переменный ток за период меняет не только направление движения, но и свою величину.
  • Действующее значение силы переменного тока – это сила такого постоянного тока, при которой средняя мощность, которая выделяется в проводнике в цепи переменного тока, равна мощности, которая выделяется в том же проводнике в цепи постоянного тока. Когда говорят о токах и напряжении в сети переменного тока, имеют в виду их действующие значения.
Читайте так же:
Как регулировать форсунки коммон рейл

переменный ток

Поток электронов постоянно колеблется с определенной частой (в 50 герц), образуя синусоиду (волнистую линию).
Поток электронов двигается как угодно, отдельные электроны в потоке тоже движутся хаотично. Для переменного тока не требуется соблюдать полярность.

Действующее напряжение сети переменного тока в обыкновенной бытовой розетке составляет напряжение в сети 220 вольт.

Широкое применение переменного тока в технике и для бытовых нужд вызвано тем, что, переменный ток легко трансформируется. Напряжение в сети переменного тока может быть легко повышено или понижено при помощи специального устройства –трансформатора.

Трансформатор — электромагнитное устройство, которое преобразует посредством электромагнитной индукции переменный ток таким образом, что напряжение в сети уменьшается либо увеличивается в несколько раз без изменения частоты, и практически без потери мощности.

Для преобразования напряжения переменного тока в сторону уменьшения (например, силовые трансформаторы с 10 000 В городских сетей до 220 В домашней сети) применяются понижающие трансформаторы. Для преобразования напряжения сетей в сторону повышения – повышающие трансформаторы.

Как регулировать мощность переменного тока

Решил как-то отец собрать для дачи некое устройство, в котором, по его заверению, можно будет варить сыр. Устройство сие вид имело могучий и представляло из себя железный короб, подозрительно напоминающий старую стиральную машинку. Внутрь короба (все также добротно!) были вмонтированы три тэна по 1700 Ватт каждый. В общем сыра должно было хватить на небольшой посёлок.

Изделие (внешне выглядящее как что-то из безумного макса), должно быть весьма технологичным и поддерживать заданную температуру в максимально узких пределах. Для этого рядом появилась ещё одна коробка с симисторами, к которым подключались ТЭНы и схема, выдающая высокий уровень при переходе синусоиды через ноль. А у меня появился интересный проект.

Итак нам нужно выходить на заданную температуру и поддерживать её, с этим должен справляться алгоритм ПИД регулятора. Глубоко вдаваться в его работу не буду, скажу лишь что он получает на вход текущую ошибку, а на выходе выдает какое-то число в заданных пределах. У меня таким числом будет мощность выдаваемая на ТЭН, хотя в принципе, это может быть любой инерционный процесс, например обороты двигателя. Что важно для ПИД регулятора, это чтобы выходная величина производила воздействие линейно. Поэтому попробуем разобраться в способах регулировки мощности и их линейности.

Как вообще регулируется мощность?

Мощность — это произведение силы тока на напряжение. Если представить это произведение графически, то для постоянного тока, это будет площадь прямоугольника со сторонами равными напряжению и току

Так как при постоянном сопротивлении и напряжении ток тоже будет постоянным, то заменим ось тока на ось времени. Сопротивление я беру постоянным для объяснения принципа регулирования.

Тогда при заданном напряжении (12 В) и сопротивлении в 12 Ом, по закону Ома: I=U/R, получаем ток равный 1 А, и соответственно мощность за единицу времени будет равна 12 Вт. При другом сопротивлении мощность, естественно тоже изменится.

Теперь, если мы хотим регулировать мощность за единицу времени, нам нужно как-то изменять площадь фигуры за единицу времени. Самым чистым способом будет просто изменять напряжение, тогда и мощность будет пропорционально изменяться. Но контроллер, как и любые цифровые устройства, не умеет плавно изменять напряжение на ножках, он может либо «поднимать» их до высокого уровня, либо «опускать» до низкого уровня. Этот недостаток он компенсирует скоростью, даже самый дохленький современный МК может работать на частотах в миллионы тактов в секунду. Чтобы регулировать мощность, контроллер будет очень быстро «дрыгать» ножкой, тем самым изменяя результирующая площадь импульса за единицу времени.

На этом принципе устроена широтно-импульсная модуляция, она же ШИМ. Изменяя время (ширину) импульса за период мы изменяем выдаваемую мощность. На рисунке выше, показано два периода ШИМа. Каждый период имеет отношение площади импульса к площади всего периода 0.5, те половину времени периода контроллер выдает высокий уровень сигнала, другую половину низкий. Отношение времени высокого уровня сигнала к времени низкого называется скважностью. Красная линия на графике отражает результирующую мощность за единицу времени, по ней видно что при скважности 0.5 мощность также упала на половину (с 12 до 6 Вт). Хорошая новость состоит в том, что, ШИМ в контроллерах реализован аппаратно. Так что для регулирования чего-то достаточно его запустить и, по необходимости, изменять скважность.

Читайте так же:
Регулировка сход развала е39

Для постоянного тока, режим ШИМа оптимален, причем чем более инерционный прибор мы к нему подключаем, тем меньшую частоту ШИМа можно использовать. Для большого ТЭНа достаточно чуть ли не одного герца, а вот для светодиодов лучше использовать частоту побольше. Кстати частота ШИМа в подсветке экрана ноутбука, зачастую оказывается чуть ли не решающим фактором при покупке, так как, при слишком низкой частоте, глаза будут быстро уставать.

Если попробовать провернуть трюк с ШИМом для переменного напряжения, мы увидим что все сломалось и мощность перестала регулироваться линейно

одинаковые промежутки времени стали давать нам разную площадь, а значит разную мощность. Однако, если разбить полученные отрезки на на ещё более мелкие, то процентное соотношение ширины импульса к ширине кусочка будет выравниваться.

Если мы возьмем равный процент выдаваемой мощности от каждого кусочка, в результате мы получим такой же процент, от мощности всей волны, а на выходе мы получим линейный регулятор мощности для переменного тока. Причем чем большую частоту будет иметь ШИМа, тем на большее количество кусочков он разобьет синусоиду, а значит мы получим большую линейность.

Это было бы решением всех проблем, но в моем случае устройством коммутировавшим нагрузку был не быстрый транзистор, а симистор — медленный прибор, с максимальными рабочими частотами в пределах нескольких сотен герц, к тому же симистор можно только открыть, закроется он сам при переходе через ноль. На таких частотах управлять переменным напряжением которое имеет частоту 50 Гц, линейно не получится. Поэтому здесь нужно использовать какой-то другой подход и как раз для него, помимо симисторов, была установлена схема перехода через ноль.

В случае с симисторами лучше разбить синусоиду на куски с одинаковыми площадями и записать время каждого такого кусочка в таблицу. Тогда каждое последующее значение из таблицы будет линейно увеличивать мощность.

На графике выше полуволна синусоиды разбита на части разные по времени, но имеющие одинаковую площадь, а значит несущие в себе одинаковую мощность. Все что нам останется сделать это загрузить таблицу с временными интервалам в наш котроллер, синхронизировать какой-то из его таймеров с частотой синусоиды, для этого используется схема перехода через ноль, и просто брать из таблички нужное значение, в течении которого будет высокий уровень. Суть метода похожа на ШИМ, но немного доработанный и синхронизированный с источником переменного напряжения.

Расчёт таблицы мощности

Теперь можно перейти непосредственно к расчёту.

Изначально задача заключается в том чтобы разбить синусоиду на нужное нам количество кусочков, каждый из которых будет иметь одинаковую площадь. На этом моменте, обычно проступает холодный пот, так-как площадь под графиком это и есть геометрическое определение интеграла. Соответственно нам нужно будет взять интеграл от функции при этом определить такие пределы интегрирования, которые будут давать одинаковый результат. Затем (как будто расчёта интегралов мало!) полученные пределы нужно будет перевести во время задержки (время в течении которого будет сохранятся высокий уровень). После чего полученное время перевести в понятное для контроллера число — количество тиков таймера. Звучит страшно, а по факту сейчас разберёмся:

Читайте так же:
Регулировка клапанов аутлендер 2 0 двигатель 4в11

Во первых сама функция — как было написано выше мощность это произведение тока на напряжение, для переменного тока (без сдвига фаз), это утверждение также верно, но, так-как и ток и напряжение меняются со временем P=IU превращается в P=I*sin(t) * U*sin(t). Так как амплитуда синусоиды нас сильно не волнует, уравнение вырождается до P=sin^2(t).

Неопределённый интеграл от квадрата синуса

Теперь нужно подобрать пределы для определенных интегралов. Выберем, насколько частей мы хотим разбить нашу синусоиду: я выбрал сто, чтобы можно было регулировать мощность с шагом в 1%.

Итак мы нашли чему будет равен неопределённый интеграл и даже выбрали шаг. Теперь нужно подобрать пределы интегрирования. Смысл их подбора заключается в том, чтобы значение определенного интеграла было постоянным при их смене. Напомню, что неопределенный интеграл это формула, а определённый вполне конкретное число. Определённый интеграл считается по формуле:

То есть мы берем неопределённый интеграл, подставляем в него верхнее число, затем нижнее, и вычитаем второе из первого.

Наш неопределённый интеграл является смешанной тригонометрической функцией, а значит не имеет общего аналитического решения. Чаще всего такие функции решаются либо числовыми, либо графическими методами. Графический метода заключается в том что мы строим графики для правой и левой части уравнения их пересечение будет решением уравнения. На рисунке показано решение уравнения для 0.2

Наряду с графическим методом можно использовать численный, то есть подбор решения. Будем подставлять в неопределённый интеграл числа до тех пор пока не найдём решение). Можно использовать лист и бумажку чтобы попрактиковаться в математике, можно онлайн калькулятор, я же буду использовать Python и библиотеки numpy:

Отлично мы получили массив чисел (пределов интегрирования!), валидность этих чисел можно проверить подставив их в интеграл. В результате должна получится площадь равная выбранному шагу! Теперь, если подставить полученные числа на график мощности, должна получится следующая картина:

Если все сошлось, то можно двигаться дальше и задать получившимся числам размерность времени, потому что сейчас они в радианах. Чтобы это сделать нужно выяснить угловую скорость, для частоты сети, то есть количество радиан в секунду.

Тогда узнаем сколько сколько длится одна радиана

Теперь, значения задержек в радианах, превратим во время, умножив каждое значение на период радианы (T). Проверим ход своей мысли: действительно-ли получится время задержки, если умножить задержку, на период? Задержка имеет размерность радиан, период — секунд за радиану, мы хотим их перемножить. Тогда рад * ( сек / рад ) = сек. Мы получили время, а значит ход мыслей должен быть верным.

Для расчётов я опять предпочту python:

На этом моменте мы получили универсальную таблицу задержек, теперь необходимо конвертировать её специально под микроконтроллер.

Расчёт таймера МК и перевод таблицы

Время необходимо перевести в понятную для МК величину — количество переполнений таймера. Но сначала необходимо определится с частотой таймера: чем выше частота, тем точнее он будет отмерять время, но с другой стороны, тем меньше времени будет оставаться на выполнение остальной программы. Здесь необходимо найти золотую середину.

Для определения минимально допустимой частоты таймера, надо найти числа в массиве с минимальной разностью между ними. Разность тем меньше, чем ближе в максимуму синусоиды мы двигаемся. Тогда возьмем задержку при которой синусоида достигает единицы и число перед ним, после чего найдем их разность:

5 мс — 4.9363 мс = 0.0636 мс

Получившееся число является максимально допустимым периодом между прерываниями таймера, тогда через него найдём минимально допустимую частоту

1 / 0.0636 = 15 КГц

Значит для заданной точности в 1% будет достаточно таймера с частотой 15КГц. Частота МК составляет 16 МГц, значит между прерываниями будет 1000 тактов процессора, этого достаточно для выполнения остальной части программы, так что можно смело настраивать таймер на заданную частоту.

Для настройки таймера на определенную частоту, не кратную тактирующей используется режим таймера CTC — Clear Timer on Compare. В этом режиме таймер досчитывает до заданного числа и сбрасывается, после чего операция повторяется. Число при котором будет происходить совпадение считается по формуле

Читайте так же:
Карбюратор озон регулировка холостых оборотов

Число = Тактовая частота МК / предделитель таймера / выбранная частота

Частота выбрана, теперь нужно перевести таблицу в тики таймера. Делать я это буду опять на Python

В общем-то на этом весь расчёт окончен, остается только отзеркалить получившийся массив для второй половины полуволны и загрузить в МК. Далее по прерыванию от синхроимпульса, нужно подать низкий уровень, на ножку управления симистором, запустить таймер и считать его переполнения (совпадения, тк. у нас режим CTC). Как только количество переполнений достигнет нужного числа из таблички, подаем высокий уровень на управляющую ножку. На этом линейный регулятор мощности переменного напряжения готов!

Заключение

Надеюсь статья была понятна и её было интересно читать. В дополнение хотелось бы сказать, сигнал перехода через ноль не приходит идеально вовремя, поэтому может потребоваться дополнительная коррекция, чтобы это исправить.

Код расчетов на python

Также, если кому-то будет интересно, могу поделится исходником готового регулятора для ардуино.

4. Назвать возможные способы регулирования напряжения генератора.

Из последней формулы видно, что величину ЭДС, а, следовательно, и напряжения на зажимах генератора можно регулировать следующими способами:

1. Изменением частоты вращения первичного двигателя, для чего нужно сложное механическое устройство.

2. Изменением магнитного потока. С этой целью в цепь обмотки возбуждения вводится регулировочный реостат, с помощью которого можно регулировать ток возбуждения а, следовательно, и магнитный поток. Этот способ прост, экономичен и находит широкое применение на практике.

5.Что представляет из себя характеристика хх генератора, как она снимается?

Характеристика холостого хода это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения при отключенной нагрузке и постоянной частоте вращения ротора.

U = f (Iв), при Iн = 0, n = const.

Для снятия этой характеристики необходимо отключить нагрузку, запустить первичный двигатель и меняя ток возбуждения, регулировочным реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения, фиксировать напряжение на зажимах генератора.

Характеристика ХХ повторяет характеристику намагничивания ферромагнитного материала.

6.Что представляет из себя внешняя характеристика генератора, как она снимается?

Внешняя характеристика зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки, при постоянном сопротивлении цепи возбуждения и постоянной частоте вращения ротора. U = f (Iн), при Rв = const, n = const.

Для снятия этой характеристики необходимо подключить нагрузку, запустить первичный двигатель и меняя ток нагрузки (включением ламп накаливания), фиксировать напряжение на зажимах генератора. С ростом нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается.

7. Какие причины вызывают снижение напряжения на зажимах генератора параллельного возбуждения при увеличении нагрузки?

Из равенства Uн=Е–IяRя видно, что увеличение силы тока в нагрузке приводит к увеличению тока якоря, что приводит к увеличению падения напряжения в обмотке якоря (IяRя) и уменьшению напряжения на зажимах генератора.

Дальнейшее увеличение нагрузки ведет к значительному уменьшению напряжения на зажимах генератора, а значит и к значительному уменьшению тока в обмотке возбуждения Iв (уменьшению магнитного потока) генератора. Генератор выходит из области магнитного насыщения статора и ЭДС генератора уменьшается (Е=СЕ*n*Ф). Т.о. уменьшение напряжения на зажимах генератора при увеличении нагрузки вызывают следующие причины:

1. При увеличении нагрузки увеличивается потеря напряжения в обмотке якоря.

2. При увеличении нагрузки усиливается размагничивающее действие реакции якоря.

3. Третья причина является следствием двух первых. Уменьшение напряжения вызванное двумя первыми причинами приводит к уменьшению тока возбуждения (магнитного потока), а, следовательно, к уменьшению ЭДС и еще большему уменьшению напряжения на зажимах генератора. У генераторов параллельного возбуждения процентное изменение напряжения при переходе от режима холостого хода к номинальной нагрузке составляет 25-30%.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector