УДК 631.38

Разработка принципиальной электрической схемы регулятора переменного напряжения

Лыков Олег Владимирович – студент факультета Информационных технологий и электронной техники Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета).

Маслаков Максим Петрович – кандидат технических наук, доцент Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета).

Кабышев Александр Михайлович – кандидат технических наук, доцент Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета).

Аннотация: Работа посвящена разработке принципиальной электрической схемы регулятора переменного напряжения. Система управления регулятором выполнена на основе микроконтроллера PIC 16F84A. Разработанная схема может найти применение в системах управления электротехнологическими процессами, является гибкой, легко адаптируется к конкретным технологическим условиям. В работе представлено описание принципа работы разработанной принципиальной электрической схемы регулятора переменного напряжения. Разработан алгоритм работы схемы.

Ключевые слова: микроконтроллер, трансформатор, выпрямитель, тиристорные оптроны, схема синхронизации.

В промышленности широкое применение находят устройства силовой электроники. От корректной работы этих устройств напрямую зависит работоспособность технологического оборудования [1].

Находят применение управляемые выпрямители и регуляторы переменного напряжения. Для управления технологическими процессами требуется оперативно изменять режимы работы таких преобразователей электрической энергии.

На рис. 1 показана разработанная схема устройства содержащая следующие основные узлы:

1. Микроконтроллер PIC 16F84A, микросхема DD1;
2. Блок тиристорных оптронов VD2;
3. Трансформатор ТР1;
4. Диодный мост VD1;
5. Кварцевый резонатор ZQ1 4 МГц;
6. Индикаторные светодиоды VD3, VD4;
7. Схема синхронизации на основе транзистора VT1;
8. Транзисторный ключ VT2;

Разработанная схема функционирует следующим образом. Разъем XS1 служит для подачи сетевого напряжения на первичную обмотку W1 понижающего трансформатора Тр1, который осуществляет гальваническую развязку сети и подключаемой нагрузки. К питающей сети подключается силовая часть схемы регулятора переменного напряжения, реализованная на основе блока тиристорных оптронов VD2 [2]. Элементы C3, R9 выполняют функции демпфирующей цепи.

Рисунок 1. Принципиальная электрическая схема разработанной схемы регулятора переменного напряжения.

Система управления регулятором выполнена на основе микроконтроллера PIC 16F84A. Обмотка W2, диодный мост VD1 и транзисторный ключ VT1 входят в состав схемы, синхронизирующей работу регулятора с питающей сетью [2].

Микроконтроллер управляет работой транзисторного ключа VT2, в коллекторную цепь которого включены светодиоды тиристорных оптронов VD2. При открывании VT2 через светодиоды протекает ток и в работу вступает фототиристор оптрона, находящийся под прямым напряжением. Кнопка S1 служит для задания величины угла управления фототиристорами оптронов VD2. Нажатием кнопки величина угла управления увеличивается на один электрический градус. Кварцевый резонатор ZQ1 и конденсаторы C1, C2 задают рабочую частоту микроконтроллера [3].

Разъем XS3 служит для подачи в схему сигнала «пуск». Этот сигнал предназначен для дистанционного управления работой регулятора. Сигнал может быть сформирован датчиками, контролирующими технологический процесс. Светодиоды VD3, VD4 предназначены для индикации состояния схемы. Светодиод VD3 включен, если регулятор находится в рабочем состоянии. Светодиод VD4 включен, если схема находится в состоянии ожидания сигнала «пуск».

На рис. 2 показаны временные диаграммы напряжений на основных элементах схемы регулятора: на выходе диодного моста VD1; на коллекторе транзистора VT1; диаграмма напряжения на нагрузке U_н.

Рисунок 2. Временные диаграммы напряжений.

Видно, что диодный мост VD1 выпрямляет напряжение питающей сети и транзистор VT1 открывается в моменты нулевых значений напряжения, что обеспечивает синхронизацию схемы с сетевым напряжением. Микроконтроллер следит за состоянием транзистора VT1 и управляет работой блока тиристорных оптронов VD2, открывает транзистор VT2 в моменты времени (через угол управления заданный нажатием кнопки S1), отсчитанные от моментов открытого состояния VT1, на нагрузке формируется переменное напряжение U_н, форма которого показана на рис. 2.

На рис. 3 показана схема алгоритма работы микроконтроллера DD1.

Рисунок 3. Схема алгоритма.

В блоке №1 микроконтроллер подсчитывает количество нажатий «N» кнопки S1, что позволяет в электрических градусах задавать величину угла управления тиристорами VD2. В блоках №2 и №3 проверяется состояние сигнала «пуск». Блоки №4 и №5 выполняют синхронизацию схемы с питающей сетью, проверяется момент открытого состояния VT1. Блок №6 формирует временной интервал длительностью 1 эл. град. Блоки №7 и №8 «N» раз обеспечивают выполнение временного интервала сформированного в блоке №6. В блоке №9 открывается транзистор VT2, формируется импульс управления блоком тиристорных оптронов VD2. После выполнения действий этого блока передается управление в блок №2.

Разработанная в статье схема и алгоритм ее работы могут найти применение в системах управления технологическими процессами и оборудованием.

Список литературы

1. Гельман М.В, Лохов С.П. Тиристорные регуляторы переменного напряжения: Издательство Энергия. – 2005. – С. 457.
2. Иванов А.Г, Белов Г.А, Сергеев А.Г. Системы управления полупроводниковыми преобразователями: Издательство Энергия. – 2005. – С. 268.
3. Мартынов А.А. Выпрямители и регуляторы переменного напряжения: Издательские решения. – 2017. – С. 254.
4. Писарев А.Л, Деткин Л.П. Управление тиристорными преобразователями: Издательство ДМК Пресс. – 2018. – С. 652.