Стабілізатори мережевої напруги З мікроконтролерного УПРАВЛІННЯМ

С. Коряк, м. Шахти Ростовської обл.

Тривалий відхилення напруги більш ніж на 10% від номінального значення 220 В у багатьох районах нашої країни, на жаль, стало нерідким явищем. При підвищеному (до 240 … 250 В) напрузі в мережі значно скорочується термін служби освітлювальних приладів, збільшується нагрів трансформаторних блоків живлення і двигунів в компресорах холодильників. Зниження мережевої напруги нижче 160 … 170 В викликає значне збільшення навантаження на ключові транзистори в імпульсних блоках живлення (це може призвести до їх перегріву і подальшого тепловому пробою), а також заклинювання двигунів в компресорах холодильників, що теж призводить до їх перегрівання і виходу з ладу. Ще більші коливання напруги у однофазних споживачів, які живляться від трифазної мережі, виникають у разі обриву нульового дроти на ділянці від точки підключення споживача до чотирипровідної мережі до трансформаторної підстанції. У цьому випадку внаслідок перекосу фаз напруга в розетці може змінюватися від декількох десятків вольт аж до лінійного 380 В, що неминуче призведе до пошкодження практично всієї складної побутової техніки, підключеної до розетки. Уникнути неприємностей, пов'язаних з екстремальними коливаннями напруги в мережі, допоможе пропонований стабілізатор.

Для стабілізації напруги мережі в побутових умовах використовують в основному ферорезонансні стабілізатори. До числа їх недоліків слід віднести спотворення синусоїдальної форми вихідної напруги (до Наприклад, холодильник до такого стабілізатору підключати забороняється), обмежену потужність стабілізаторів побутового призначення (300 … 400 Вт) при значних масогабаритних показниках, неможливість роботи без навантаження, вузький діапазон стабілізації та вихід з ладу при підвищеній напрузі в мережі.

Від зазначених недоліків вільний компенсаційний стабілізатор напруги, структурна схема якого показана на рис. 1.

Працює він за принципом ступінчастою корекції напруги, здійснюваної перемиканням відводів обмотки автотрансформатора Т1 за допомогою сімісторних ключів Q2-Q6 під керуванням мікроконтролера (МК), стежить за рівнем напруги в мережі.

Застосований в стабілізаторі спосіб оцінки амплітуди мережевої напруги вкрай простий в реалізації і забезпечує цілком достатню для даного застосування точність вимірювання. Проте він накладає ряд обмежень на можливе застосування пристрою. Перш за все, частота мережевої напруги повинна залишатися постійної (50 Гц). Ця умова може порушуватися, наприклад, якщо енергопостачання проводиться від автономного дизель-генератора. Крім того, точність вимірювання зменшується з ростом нелінійних спотворень форми мережевої напруги, що виникають при роботі близько розташованих потужних споживачів із сильно вираженим індуктивним характером навантаження.

Принципова схема пристрою зображена на рис. 2.

За записаною в пам'яті програмі МК DD1 проводить вимірювання мережевої напруги в кожному періоді (20 мс). З дільника R1R2 негативні напівхвилі мережевої напруги, проходячи через стабілітрон VD1, формують на ньому імпульси з амплітудою, яка визначається напругою стабілізації стабілітрон, в даному випадку 10 В. З дільника R3R4, що зменшує амплітуду отриманого сигналу до ТТЛ рівня (рис. 3), ці імпульси приходять на лінію 0 порта А, налаштовану на введення.

За допомогою підлаштування резистора R4 нижній рівень сигналу на вході МК встановлений на 0,2. .. 0,3 В нижче рівня лог. 0. При кімнатній температурі і стабілізованої напрузі живлення рівень напруги переходу цифрового входу КМОП мікросхеми зі стану лог. 1 в стан лог. 0 (і назад з 0 в 1 з деяким гістерезисом, яким у цьому випадку можна знехтувати зважаючи на його постійного значення) залишається практично постійним.

Як видно з рис. 3, при зміні напруги мережі від 145 до 275 В тривалість імпульсів, що відповідають лог. 0, змінюється приблизно від 0,5 до 6 мс. Вимірюючи тривалість цих імпульсів, програма МК обчислює рівень мережевої напруги в поточному періоді. (R4.1 – опір частини резистора R4 від нижнього – за схемою – виведення до движка).

Після включення стабілізатора мережеве напруга контролюється протягом 5 с. Якщо воно перебуває в межах 145 … 275 В, блимає зелений світлодіод HL2 "Нормальний", в іншому випадку загоряються світлодіод HL3 "Низька" або HL1 "Високе" (залежно від значення напруги). У такому стані стабілізатор знаходиться до тих пір, поки напруга в мережі не увійде до задані межі.

Якщо після 5 с напруга в мережі залишається в допустимих межах, МК видає команду на відкривання цими-сторі VS1, через який автотрансформатор Т1 підключається до мережі. Після цього МК ще протягом 0,5 с виробляє контрольні заміри напруги, а потім, залежно від результату вимірювання, відкриває один із сімісторов VS2-VS6, тим самим підключаючи навантаження до одного з п'яти відводів автотрансформатора. Гальванічна розв'язка сімісторов з МК здійснюється тиристорним оптро-нами U1-U6.

У процесі регулювання відкриває імпульс знімається з включеного сімістора наприкінці напівперіод синусоїди мережевої напруги. Після цього програма МК витримує паузу 4 мс, а потім подає відкриває імпульс на другий сімістор. Загальна тривалість затримки між перемиканнями сімісторов може бути збільшена зміною на початку програми (у блоці опису констант) відповідного значення часу затримки (Див. коментарі у вихідному тексті програми). Збільшення цього часу до 10 … 15 мс необхідно в разі, якщо до стабілізатору підключена індуктивна навантаження з коефіцієнтом потужності менше 0,7 … 0,8.

При відхиленні напруги за допустимі межі автотрансформатор разом з навантаженням відключається сімістором VS1. Світлодіоди HL1-HL8 індикується стан стабілізатора і рівні напруги в мережі.

Залежно від величини напруги U висновки додаткових обмоток автотрансформатора перемикаються у наступному порядку:

– U <145 В – навантаження відключена, горить червоний світлодіод HL3 ("Низька");

– 145 <U <165 В – навантаження підключена до висновку 7 (далі для стислості вказані тільки номери висновків, до яких підключена навантаження), горить червоний світлодіод HL8 ("+20%"), блимає HL3 ("Низька");

– 165 <U <190 В – висновок 7, горить HL8 ("+20%");

– 190 <U <205B – висновки 8 і 8 ', горить жовтий світлодіод HL7 ("+10%");

– 205 <U <235 В – висновок 1, горить зелений світлодіод HL6 ("0%");

– 235 <U <245 В – висновки 6 і 6 ', горить жовтий світлодіод HL5 ("-7,5%");

– 245 <U <265 В – висновок 5 ', горить червоний світлодіод HL4 ("-15%");

– 265 <U <275 В – висновок 5 ', горить червоний світлодіод HL4 ("-15%"), блимає HL1 ("Високе");

– U> 275 В – навантаження відключена від мережі, горить червоний світлодіод HL1 ("Високе").

Для запобігання безладного перемикання сімісторов у випадку, якщо мережеве напруга знаходиться на порозі перемикання відводів автотрансформатора, в програму введений певний "гістерезис" у спрацьовуванні. Наприклад, якщо при збільшенні напруги від 189 до 190 В буде вироблено перемикання навантаження з відведення "+20%" на "+10%",

РАДІО № 8, 2002 р., с. 26-27.