Стабилизатор мощности переменного тока

РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Всем привет! В прошлой статье я расказывал, как сделать регулятор напряжения для постоянного тока. Сегодня мы сделаем регулятор напряжения для переменного тока 220в. Конструкция довольно-таки проста для повторения даже начинающими. Но при этом регулятор может брать на себя нагрузку даже в 1 киловатт! Для изготовления данного регулятора нам понадобится несколько компонентов:

1. Резистор 4.7кОм млт-0.5 (пойдет даже 0.25 ватт).
2. Перменный резистор 500кОм-1мОм, с 500ком будет регулировать довольно плавно, но только в диапазоне 220в-120в. С 1 мОм — будет регулировать более жестко, тоесть будет регулировать промежутком в 5-10вольт, но зато диапазон возрастет, возможно регулировать от 220 до 60 вольт! Резистор желательно ставить со встроеным выключателем (хотя можно обойтись и без него, просто поставив перемычку).
3. Динистор DB3. Взять такой можно из ЛСД экономичных ламп. (Можно заменить на отечественный KH102).
4. Диод FR104 или 1N4007, такие диоды встречаются практически в любой импортной радиотехнике.
5. Экономичные по току светодиоды.
6. Симистор BT136-600B или BT138-600.
7. Винтовые клемники. (обйтись можно и без них, просто припаяв провода к плате).
8. Небольшой радиатор (до 0,5кВт он не нужен).
9. Пленочный конденсатор на 400вольт, от 0.1 микрофарадп, до 0.47 микрофарад.

Схема регулятора переменного напряжения:

Приступим к сборке устройства. Для начало вытравим и пролудим плату. Печатная плата — её рисунок в LAY, находится в архиве. Более компактный вариант, представленный товарищем sergei — тут.

Далее припаяем симистор, и переменный резистор.

Затем паяем конденастор. На фото конднесатор со стороны лужения, т.к у моего экземпляра конденсатора были слишком коротки ножки.

Паяем динистор. У динистора полярности нет, так-что вставляем его как вам угодно. Припаиваем диод, резистор, светодиод, перемычку и винтовой клемник. Выглядит оно примерно так:

И в конце концов последний этап — это ставим на симистор радиатор.

А вот фото готового устройства уже в корпусе.

Регулятор какой-нибуть дополнительно настройки не требует. Видео работы данного устройства:

Хочу заметить, что ставить его можно не только в сеть 220В на обычные приборы и электроинструменты, но и на любой другой источник переменного тока с напряжением от 20 до 500В (ограничивается предельными параметрами радиоэлементов схемы). С вами был [PC]Boil-:D

Форум по обсуждению материала РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Электрофорез «Поток-1» — схема, инструкция и самостоятельное изготовление медицинского прибора.

Пайка SMD компонентов 1206, 0805, MELF, SO8, SO14, SO28, TQFP32 в домашних условиях обычным паяльником.

Обзор возможностей комплекта бесконтактного модуля считывателя карт RFID RDM6300. Подключение схемы и тесты.

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.

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:

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

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.

Регулятор мощности РМ-2

• от 2 шт. — 1920 р.
• от 3 шт. — 1890 р.

• Описание
• Характеристики
• Отзывов (0)

Цифровой высокоточный регулятор мощности РМ-2 с функцией разгона (новая модель) в комплекте с симистором ВТА41 (40А, 600В), предназначен для поддержания заданного высокостабильного (среднеквадратичного) значения напряжения переменного тока 220 В с частотой 50 Гц. Прибор применяется в различных технологических процессах на производстве и в быту: для регулирования мощности осветительных и электронагревательных приборов, трубчатых электронагревателей, в системах обогрева «тёплый пол», регулировки оборотов коллекторных двигателей переменного тока и приводов различного оборудования.

Новая модель 2021 года — РМ-2 new (посмотреть здесь) дополнена функциями памяти 10-ти предустановленных значений напряжение/мощность, отображением мощности текущего потребления в Ваттах или Киловаттах, повышенной точностью стабилизации Uвых ± 0,5 В, функцией аварийного принудительного отключения выхода, расширенным диапазоном настройки выходного напряжения и быстрым сбросом к заводским настройкам.

Назначение

Регулятор мощности РМ-2 AKIP-DON – это высокоточный цифровой прибор для поддержания на заданном уровне среднеквадратичного значения напряжения, которое подается на интересующее нас устройство или оборудование. Вследствие того, что установленная величина питания, которая подается к нагрузке с помощью регулятора мощности РМ-2, остается неизменной, неизменными остаются и потребление электроэнергии, и выходные характеристики работы (например — температура нагрева, скорость вращения).

Применяется в различных сферах для автоматизации процессов на производстве и в бытовых целях. С помощью РМ-2 можно обеспечить постоянные параметры потребляемой мощности для управления и поддержания заданной температуры или уровня освещения, управлять и регулировать частоту вращения большинства коллекторных электродвигателей и приводов.

Также, используется совместно с четырехканальным терморегулятором ИРТ-4К для создания своими руками ректификационной колоны или продвинутого самогонного аппарата с полностью автоматизированным процессом работы.

Управление функцией разгона

Функция для быстрого разогрева емкости или нагрева в другом процессе — «разгон», реализована путем замыкания или размыкания между контактами 1 и 2 РМ-2. При замыкании этой цепи — подается управляющий сигнал на полное открытие симистора и на выход проходит все входное напряжение. Цепь маломощная, ток до 20мА, так что для ее коммутации в ручном режиме подходит любая кнопка, даже микропереключатель самого маленького номинала. Главное требование — отсутствие ее «подсветки» от какого-либо внешнего напряжения (потенциала).

Для автоматизированного управления функцией «разгона» (ее отключение при достижении заданной температуры) применяется внешнее включение-выключение через размыкающий контакт таймера регулятора отбора ШИМ-2 с декрементом, с 2-мя встроенными независимыми терморегуляторами для реализации одновременного регулирования скорости отбора (управление электромагнитным клапаном) и контроля нагрева емкости на максимальной мощности ТЭНа.

Краткие технические характеристики регулятора мощности РМ-2м AKIP-DON

• Рабочий диапазон напряжений – 40 — 400 В
• Программируемое напряжение на выходе – 35 — 255 В
• Стабильность Uвых – ± 1 В
• Функция разгона (обход регулировки) – есть
• Максимальный ток управления симистором, не более – 1 А
• Комплектация – упаковка, прибор РМ-2, инструкция, + симистор ВТА41-600BRG STM на 40A оригинал (подарок)
• Монтаж на DIN-рейку, ширина 53 мм – 3 модуля

Описание и принцип работы регулятора мощности РМ-2

Электронный регулятор мощности РМ-2 AKIP-DON – это устройство, которое управляет полупроводниковым элементом (в нашем случае симистором), в соответствии с заданным пользователем значением напряжения для обеспечения постоянно одинаковой мощности работы нагрузки. С помощью регулятора мощности РМ-2, возможно регулировать и поддерживать на одном уровне яркость освещения, нагрев ТЭН ов, обогревателей, дистилляторов, ректификационных колонн, работу асинхронных электродвигателей.

Принцип работы регулятора мощности РМ 2 состоит в том, что он подает управляющие импульсы на силовой элемент (симистор), и таким образом, то открывая, то закрывая его, удерживает на выходе высокоточное и стабильное среднеквадратичное значение заданного напряжения. Полученная форма питания подходит не для всех потребителей, но для их большинства. Можно применять для всех активных нагрузок и для некоторых реактивных. Применение для реактивных нагрузок определяется степенью искажения синусоидальной формы напряжения (зависит от разницы Uвх сети и Uвых заданного, больше разница – больше искажения) и ее воздействием на конкретный прибор с емкостной или индуктивной составляющей. Определяется паспортными данными или методом испытания.

Надо понимать, что данная схема не является стабилизатором напряжения и не может выдать величины, более тех, что поступают на ее вход. Для примера: нельзя получить стабильные 210 вольт, если у нас на входе 180-200. Т.е. прибор может стабильно поддерживать установленное значение, например 220В, если колебания в сети Uвх ≥ 220 В. Или Uвых = 180В, если Uвх ≥ 180 В. Может уменьшить, но не может увеличить.

Методика правильного расчета мощности ТЭНа и напряжения для получения нужных показателей нагрева, приведена в описании его полного аналога, но в уменьшенном варианте корпуса ( с 3-х до 2-ух модулей) для экономии места в РЩ — модель РМ-2-mini. Там же есть готовая таблица расчетных значений для основных номиналов ТЭНов.

Схема подключения регулятора мощности РМ-2

Схема подключения нагрузки с использованием регулятора мощности РМ-2 и внешнего силового коммутирующего элемента приведена ниже. Также справа приведен перечень возможных к применению силовых полупроводников.

При выборе симистора, для надежной работы, его мощность надо брать с запасом не менее 30% от планируемой мощности нагрузки и размещать на радиаторе охлаждения с соответствующей теплоотдачей. Также, его коммутируемое напряжение должно быть не менее чем в 2 раза больше, чем предполагаемое входное. Если нет уверенности в своих расчетах, подборе комплектующих и навыках монтажа — можете использовать уже готовый симисторный блок типа SR2025.

Если мощность планируемой нагрузки (например нагревателя) не превышает 3,5 кВт и у Вас нет желания самому собирать и подключать силовую часть устройства для точного поддержания заданного напряжения и мощности — предлагаем рассмотреть полностью готовый к использованию вариант аналогичного прибора — высокоточный цифровой регулятор мощности РМ-2-16А, который конструктивно уже оснащен встроенным силовым полупроводниковым элементом и системой активного принудительного охлаждения.

Также, на нашем сайте в линейке есть более мощная заводская модель от производителя PST, для быстрого монтажа с независимой конструкцией и без применения дополнительного оборудования, с максимальной нагрузкой до 5,5 кВт — регулятор мощности РМ-2-25А.

И самая мощная модель с прямым включением нагрузки до 7 кВт с одним мощным (8000 об./мин, 18куб.м/час), или до 8 кВт 2-мя кулерами (с приточно-вытяжным охлаждением) — регулятор мощности РМ-2-32А.

Также, в разделе представлен — регулятор небольшой мощности в сборе на din-рейку без охлаждения — РМ-2-5А PST на потребляемый номинальный ток 5 Ампер, 1,2 кВт (max до 7 А) .

Если мощность нагрузки не превышает 400вт — можно использовать полностью готовый к быстрому подключению и использованию вариант — регулятор мощности в розетку 220В РМ-2-2А для маломощных бытовых нагрузок (вентилятор, паяльник, лампа) с потреблением тока до 2А.

Настройка регулятора мощности РМ-2

На индикаторе прибора в цифровом виде отображается или напряжение на входе прибора или на его выходе, в зависимости от установленных настроек. Через 4 секунды после включения, подается сигнал управления на включение нагрузки. После этого, с помощью кнопок «В+» и «П-», производится настройка регулятора мощности РМ-2. Для этого используем следующую последовательность:

«В+» — нажимая входим в режим настройки, выбираем на индикаторе: