Электрические аппараты автоматического управления - Преобразователи тока и напряжения

§ 9.7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

9.7.1. Общие сведения

Для питания схем автоматического управления, в которых используется оборудование, имеющее самые различные характеристики, все чаще прибегают к стабилизированному напряжению или стабилизируют ток.
Для этого используют автоматические бесконтактные электрические аппараты — стабилизаторы. В зависимости от характера входных и выходных параметров (напряжение, мощность, частота и др.) различают стабилизаторы тока, напряжения, мощности, частоты и т. п.
Наибольшее распространение в практике имеют стабилизаторы тока и напряжения, которые можно разделить на следующие группы.

1. Электромагнитные стабилизаторы,
2. Стабилизаторы, использующие элементы с нелинейной характеристикой (специальные, сопротивления, барретеры, лампы с тлеющим разрядом и др.).
3. Стабилизаторы на магнитных усилителях.

Электромагнитные стабилизаторы

Принцип работы электромагнитных стабилизаторов основан на использовании нелинейной зависимости между током и потоком в стальном сердечнике при насыщении последнего. Это можно пояснить таким примером. Пусть имеется два стальных сердечника: насыщенный 1 и ненасыщенный 2 (рис. 9.67, о). Во вторичную цепь первого сердечника включена нагрузка, или непосредственно напряжение ίΛ·

Если построить характеристики t/i=cp(/), Uz=(pzU) и U=φ3(/) (рис. 9.67,6), то можно увидеть, что при изменении тока от /4 до /2 напряжение на нагрузке меняется незначительно, от U' до U", так как незначительно изменяется Uι. Вместе с тем
напряжение сети при изменении тока от Λ до /2 меняется» в значительных пределах (At/). Таким образом, имеет место стабилизация напряжения на нагрузке Z„.
Характеристики t/i=cpi(/) и ^/г=ф2(/) должны складываться геометрически для получения зависимости U'=(p3(I). Рассмотренная схема электромагнитного стабилизатора не получила широкого распространения, так как в таком виде она не обеспечивает достаточной стабильности напряжения и имеет невысокие энергетические показатели. Для улучшения характеристики такого стабилизатора необходимо иметь компенсационные обмотки. Это осуществляется в конструкциях трехстержневых стабилизаторов, в которых объединены свойства двух сердечников. Однако все перечисленные конструкции электромагнитных стабилизаторов не получили достаточного распространения, так как они имеют более низкий к. п. д. в сравнении с так называемыми ферро- резонансными стабилизаторами.

Феррорезонансные стабилизаторы могут быть выполнены по схемам резонанса напряжения и резонанса тока. В этих схемах вместо ненасыщенного сердечника включается емкость. В практике преимущественное распространение получили стабилизаторы, работающие по схеме резонанса тока, так как эта схема имеет лучшие показатели по сравнению со схемой резонанса напряжения.
Принципиальная схема феррорезонансного стабилизатора напряжения, выполненного по схеме резонанса тока, приведена на рис. 9.68. В этом стабилизаторе используется индуктивность рассеяния дросселя при увеличении его насыщения.

Стабилизатор состоит из трансформатора с первичной обмоткой, расположенной на ненасыщенной части магнитопровода с магнитным шунтом. Шунт имеет большое магнитное сопротивление. Вторичная обмотка трансформатора расположена на насыщенной части магнитопровода. Емкость С включена параллельно вторичной обмотке. Нагрузка включена во вторичную обмотку последовательно с компенсационной обмоткой. До насыщения магнитопровода, когда напряжение сети первичной обмотки равно, ниже или незначительно превосходит номинальное, поток первичной обмотки не заходит в шунт и замыкается через сердечники первичной и вторичной обмоток.
При возрастании напряжения на первичной обмотке сердечник вторичной обмотки насыщается, что приводит к возникновению большой индуктивности рассеяния, и магнитный поток замыкается через магнитный шунт, т. е. возникает параллельная
ветвь в магнитной цепи. Это приводит к тому, что магнитный поток в стержне вторичной обмотки сохраняется неизменным при изменении напряжения сети первичной обмотки.
Таким образом, резонансная схема становится стабилизатором. При изменении напряжения сети напряжение на нагрузке изменяется незначительно. Напряжение сети будет равно
где хр — индуктивность рассеяния. Емкость С включается на полное напряжение вторичной обмотки. Основным недостатком всех электромагнитных стабилизаторов является их чувствительность к частоте питающей сети.
Стабилизаторы напряжения электромагнитные типа СНЭ (рис. 9.68) применяются в тех случаях, когда необходимо иметь стабильное напряжение при меняющемся напряжении сети.
Стабилизатор представляет собой трансформатор с большой индуктивностью рассеяния, зависящей от магнитного шунта, которым снабжен магнитопровод. Вторичная обмотка нагружена на емкость С.
В результате взаимодействия емкости и индуктивности рассеяния часть магнитопровода, связанная со вторичной обмоткой, работает в режиме магнитного насыщения. В силу этого напряжение на вторичной обмотке изменяется в меньшей степени, чем напряжение сети. На ненасыщенной части трансформатора, кроме первичной обмотки, имеется еще и компенсационная обмотка /гк, напряжение которой пропорционально напряжению сети. Число витков пк таково, что геометрическая сумма напряжений обмоток пк и п3 в определенной области изменения напряжения сети Uo остается постоянной. Этим и достигается стабилизация напряжения UСТаб· Конструктивно стабилизатор выполнен из магнитопровода броневого типа с магнитным шунтом, собранным из трансформаторной стали. В силу большого рассеяния трансформатор смонтирован на основании из немагнитного материала.

Стабилизаторы, использующие элементы с нелинейной характеристикой

Барретер (рис. 9.69) представляет собой стеклянную колбу, наполненную водородом, в которую помещена стальная или вольфрамовая нить. Если ток, проходящий через нить, будет возрастать, то и сопротивление нити нелинейно будет возрастать, т. е. барретер имеет нелинейную характеристику. Барретер может работать на постоянном и переменном токе. Обозначение типа, например 0,ЗБ17-35, следует расшифровать так: 0,3 — номинальный ток =0,3 а, 17 — нижний предел напряжения барретирова- ния £/б1=17 в и Uo2=35 в. Недостатком барретероз является наличие тепловой инерции нити, в силу чего ее сопротивление не успевает изменяться с частотой питающего тока. Для постоянного тока этот недостаток не имеет значения.
В табл. 9.15 приведены данные некоторых типов барретеров.
Табл. 9.15. Барретеры

Стабилизаторы на терморезисторах (рис. 9.70). Терморезисторы характеризуются высоким отрицательным температурным коэффициентом (до 0,04) и при нагревании меняют свое сопротивление в весьма широких пределах. Это их свойство и используется для автоматической стабилизации напряжения.
На рисунке сопротивление резистора Rn последовательно включено с постоянным сопротивлением г0, которое подобрано соответствующим образом. Если напряжение сети ί/ΒΧ снижается, то ток в ветви г0 и /?п уменьшается, сопротивление Rn возрастает, что ведет к еще меньшему значению тока. Поэтому падение напряжения на сопротивлении Г\ уменьшается, а на нагрузке и ветви г0 и Rn возрастает до своего исходного значения. При росте напряжения сети ί/ΒΧ ток в ветви г0 и /?п возрастает, сопротивление Rn уменьшается, возрастает падение напряжения на сопротивлении Γι, а в результате напряжение на нагрузке и ветви г0 и Rn снизится и станет близким к исходному.

Стабилизаторы напряжения на варисторах (рис. 9.71, а и б). Известно, что варисторы изменяют свое сопротивление с изменением напряжения на них. Это их свойство и используется для построения стабилизаторов напряжения. В схеме а варистор включен последовательно с постоянным сопротивлением R, а нагрузка Rn включена на варистор. С изменением напряжения сети изменяется сопротивление варистора, что в итоге приводит к постоянству падения напряжения на нем и постоянству напряжения на нагрузке.

Рис. 9.71
В схеме б варисторы включены в противоположные плечи моста. При колебаниях напряжения сети £/вх возникает разбаланс моста, который сглаживает колебания напряжения на нагрузке. Если требуется высокая стабильность напряжения, то следует применять мостовую схему б.
Стабилизаторы напряжения с газонаполненными лампами тлеющего разряда. Эти стабилизаторы известны под названием газовых стабилизаторов или стабиливольтов.

Рис. 9.73
Рис. 9.72

 Стабиливольт — это стеклянная газонаполненная лампа тлеющего разряда, имеющая два электрода — анод и холодный катод. Стеклянный баллон лампы заполнен инертным газом — аргоном или неоном. Конструктивно анод выполняется в виде стерженька небольшого диаметра и размещается внутри катода, который имеет вид цилиндрика. Особенностью стабиливольтов является их способность сохранять постоянство напряжения при определенных плотностяхтока разряда. Это их свойство и положено в основу стабилизаторов напряжения, построенных на стабиливольтах.
Стабиливольты характеризуются величиной напряжения горения и пределами изменения тока через лампу, при которых напряжение горения остается близким к постоянному, и напряжением зажигания, которое несколько выше напряжения горения и которое необходимо приложить к стабиливольту, чтобы в нем возник тлеющий разряд.

Стабиливольты работают на постоянном токе. На рис. 9.72 приведена принципиальная схема стабилизатора с включением стабиливольта параллельно нагрузке. Желательно, чтобы напряжение стабиливольта ближе подходило к напряжению нагрузки. Для схемы рис. 9.72 связь между токами будет
где /ст — ток стабиливольта;
/д — ток, протекающий через сопротивление R; 1и — ток нагрузки.

Сопротивление R определяется выражением
где Uc — напряжение питающей сети; Uст — напряжение стабиливольта.

Рис. 9.75
На рис. 9.73 приведена принципиальная схема стабилизатора напряжения с включением стабиливольта последовательно нагрузке, где Яд и Яб — добавочное и балластное сопротивления. Кроме приведенных схем включения стабиливольтов в схемы стабилизаторов напряжения, применяют еще и мостовые схемы (рис. 9.74), которые хотя и дороже, но наиболее приемлемы по качеству стабилизации.

Табл. 9.16. Типы стабиливольтов

Общим недостатком схем стабилизации напряжения, построенных на стабиливольтах, является то, что стабиливольты обладают инерционностью и не сразу реагируют на изменение напряжения. Стабиливольты находят широкое применение в установках малой мощности (табл. 9.16).

Стабилизаторы на магнитных усилителях

На рис. 9.75 приведена схема стабилизатора напряжения или тока с помощью магнитного усилителя 7, который рабочими обмотками включен последовательно с первичной обмоткой трансформатора 2. Так как МУ представляет собой переменное индуктивное сопротивление, изменяющееся в зависимости от тока подмагничивания, то на нем будет изменяться и падение напряжения. Если поставить задачу иметь неизменным напряжение на первичной обмотке трансформатора или ток в питающей цепи, этого можно достигнуть путем изменения тока подмагничивания. На практике это достигается путем установки регулятора, который автоматически изменяет ток управления МУ и тем самым обеспечивает поддержание напряжения или тока в цепи. На рис. 9.75: 3 — трансформатор тока — датчик, 4 — автоматический регулятор, 5 — нагрузка.
Такая схема стабилизации тока или напряжения весьма широко применяется на предприятиях стеклянного волокна, в частности для питания стеклоплавильных сосудов.