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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Netzspannungsstabilisator mit Mikrocontroller-Steuerung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Mikrocontroller Eine langfristige Abweichung der Netzspannung um mehr als 10 % vom Nennwert von 220 V ist in vielen Regionen unseres Landes leider an der Tagesordnung. Mit einer erhöhten Spannung (bis zu 240 ... 250 V) im Netz verringert sich die Lebensdauer von Beleuchtungsgeräten deutlich, die Erwärmung von Transformatornetzteilen und Motoren in Kühlschrankkompressoren nimmt zu. Ein Abfall der Netzspannung unter 160 ... 170 V führt zu einer erheblichen Erhöhung der Belastung der Schlüsseltransistoren in Schaltnetzteilen (dies kann zu deren Überhitzung und anschließendem thermischen Zusammenbruch führen) sowie zum Blockieren von Motoren in Kühlschrankkompressoren. was auch zu deren Überhitzung und Leistungsausfall führt. Noch größere Spannungsschwankungen bei einphasigen Verbrauchern, die von einem Drehstromnetz versorgt werden, treten bei einem Bruch des Neutralleiters im Bereich vom Anschlusspunkt des Verbrauchers an das Vierleiternetz bis zum Umspannwerk auf. In diesem Fall kann die Spannung in der Steckdose aufgrund eines Phasenungleichgewichts von mehreren zehn Volt bis zu linearen 380 V variieren, was unweigerlich zu Schäden an fast allen an die Steckdose angeschlossenen komplexen Haushaltsgeräten führen wird. Der vorgeschlagene Stabilisator wird dazu beitragen, die mit extremen Spannungsschwankungen im Netz verbundenen Probleme zu vermeiden. Um die Netzspannung unter häuslichen Bedingungen zu stabilisieren, werden hauptsächlich Ferroresonanz-Stabilisatoren verwendet. Zu ihren Nachteilen gehören die Verzerrung der Sinusform der Ausgangsspannung (es ist beispielsweise verboten, einen Kühlschrank an einen solchen Stabilisator anzuschließen), die begrenzte Leistung von Haushaltsstabilisatoren (300 ... 400 W) mit erheblichen Gewichts- und Größenindikatoren, die Unfähigkeit, ohne Last zu arbeiten, ein Fehler im engen Stabilisierungsbereich bei Hochspannung im Netzwerk. Der Ausgleichsspannungsstabilisator ist frei von diesen Mängeln, dessen Blockschaltbild in Fig. 1 gezeigt ist. eines.
Es arbeitet nach dem Prinzip der schrittweisen Spannungskorrektur, die durch Umschalten der Abgriffe der Wicklung des Autotransformators T1 mit Triac-Schaltern Q2-Q6 unter der Steuerung eines Mikrocontrollers (MK) durchgeführt wird, der den Spannungspegel im Netzwerk überwacht. Das im Stabilisator verwendete Verfahren zur Abschätzung der Amplitude der Netzspannung ist äußerst einfach zu implementieren und bietet für diese Anwendung eine durchaus ausreichende Messgenauigkeit. Es erlegt jedoch eine Reihe von Einschränkungen für die mögliche Verwendung des Geräts auf. Zunächst muss die Frequenz der Netzspannung konstant bleiben (50 Hz). Diese Bedingung kann beispielsweise verletzt werden, wenn Energie von einem autonomen Dieselgenerator geliefert wird. Außerdem sinkt die Messgenauigkeit mit dem Anwachsen von nichtlinearen Verzerrungen des Netzspannungsverlaufs, die beim Betrieb eng beieinander liegender leistungsstarker Verbraucher mit stark ausgeprägter induktiver Natur der Last auftreten. Das schematische Diagramm des Geräts ist in Abb. 2 dargestellt. XNUMX.
Gemäß dem im Speicher aufgezeichneten Programm misst MK DD1 in jeder Periode (20 ms) die Netzspannung. Vom Teiler R1R2 bilden die negativen Halbwellen der Netzspannung, die durch die Zenerdiode VD1 laufen, auf dieser Impulse mit einer Amplitude, die durch die Stabilisierungsspannung der Zenerdiode, in diesem Fall 10 V, bestimmt wird. Vom Teiler R3R4, der die Amplitude des empfangenen Signals auf den TTL-Pegel reduziert (Abb. 3), gelangen diese Impulse zur Leitung 0 des für den Eingang konfigurierten Ports A. Mit dem Trimmerwiderstand R4 wird der untere Signalpegel am MK-Eingang auf 0,2 ... 0,3 V unterhalb des Log-Pegels eingestellt. 0. Bei Raumtemperatur und einer stabilisierten Versorgungsspannung der Spannungspegel des Übergangs des digitalen Eingangs der CMOS-Mikroschaltung vom Zustand des Protokolls. 1 zum Status des Protokolls. 0 (und zurück von 0 auf 1 mit einer gewissen Hysterese, die in diesem Fall aufgrund ihres konstanten Wertes vernachlässigt werden kann) bleibt nahezu konstant.
Wie aus Abb. ersichtlich ist. 3, wenn sich die Netzspannung von 145 auf 275 V ändert, entspricht die Dauer der Impulse dem Protokoll. 0, variiert zwischen etwa 0,5 und 6 ms. Durch Messung der Dauer dieser Impulse berechnet das MC-Programm die Höhe der Netzspannung in der aktuellen Periode. (R4.1 ist der Widerstandswert eines Teils des Widerstands R4 von unten – laut Diagramm – Ausgang zum Motor). Nach dem Einschalten des Stabilisators wird die Netzspannung für 5 s geregelt. Liegt sie im Bereich von 145 ... 275 V, blinkt die grüne LED HL2 „Normal“, ansonsten leuchtet die LED HL3 „Low“ oder HL1 „High“ (je nach Wert der Netzspannung). In diesem Zustand befindet sich der Stabilisator, bis die Spannung im Netzwerk die angegebenen Grenzen erreicht. Bleibt die Spannung im Netz nach 5 s innerhalb akzeptabler Grenzen, gibt der MK einen Befehl zum Öffnen des Triac VS1, über den der Spartransformator T1 mit dem Netz verbunden wird. Danach führt der MK weitere 0,5 s lang Kontrollmessungen der Netzspannung durch und öffnet dann je nach Messergebnis einen der Triacs VS2-VS6 und verbindet so die Last mit einem der fünf Abgriffe des Spartransformators . Die galvanische Trennung von Triacs mit MK erfolgt durch Thyristor-Optokoppler U1-U6. Bei der Regelung wird am Ende der Halbwelle der Sinuskurve der Netzspannung der Öffnungsimpuls vom eingeschalteten Triac weggenommen. Danach pausiert das MK-Programm für 4 ms und sendet dann einen Öffnungsimpuls an einen anderen Triac. Die Dauer der Verzögerung zwischen dem Schalten von Triacs kann erhöht werden, indem zu Beginn des Programms (im Konstantenbeschreibungsblock) der entsprechende Wert der Verzögerungszeit geändert wird (siehe Kommentare im Quellcode des Programms). Eine Erhöhung dieser Zeit auf 10...15 ms ist erforderlich, wenn eine induktive Last mit einem Leistungsfaktor kleiner als 0,7...0,8 an den Stabilisator angeschlossen ist. Weicht die Netzspannung über die zulässigen Grenzen ab, wird der Spartransformator zusammen mit der Last durch den Triac VS1 abgeschaltet. Die LEDs HL1-HL8 zeigen den Zustand des Stabilisators und die Spannungspegel im Netzwerk an. Abhängig vom Wert der Netzspannung U werden die Ausgänge der Zusatzwicklungen des Spartransformators in folgender Reihenfolge geschaltet:
Um ein unregelmäßiges Schalten von Triacs zu verhindern, falls die Netzspannung an der Schwelle zum Schalten der Anzapfungen des Spartransformators liegt, wurde eine gewisse „Hysterese“ im Betrieb in das Programm eingeführt. Wenn beispielsweise bei einer Erhöhung der Netzspannung von 189 auf 190 V die Last von der Anzapfung „+ 20 %“ auf „+ 10 %“ umgeschaltet wird, dann schaltet der MC die Last wieder auf „+ 20 %“ um. erst wenn die Netzspannung auf ca. 187 V absinkt. Die Verzögerung zwischen der Spannungsänderung im Netz und dem entsprechenden Schalten der Spartransformator-Anzapfungen beträgt nicht mehr als 40 ms. Bei einem „Ausfall“ der Netzspannung unter 145 V für mehr als 100 ms (änderbar, siehe Kommentare im Quellcode des Programms) trennt der MK den Spartransformator mit der daran angeschlossenen Last vom Netz , während die grüne LED HL2 „Normal“ erlischt und die rote LED HL3 „Low“ leuchtet. Wenn die Spannung im Netz über 275 V angestiegen ist, wird die gesteuerte Last nach 40 ms vom Netz getrennt und die rote LED HL1 „High“ leuchtet. Nachdem die Netzspannung wieder normal ist (145 Bei Ausfall der Netzspannung reicht die Ladung des Kondensators C2 für ca. 30 Sekunden aus, um den Normalbetrieb des MK aufrechtzuerhalten, dann friert das Programm ein, wodurch der im MK eingebaute unabhängige Watchdog-Timer (WDT) ausgelöst wird . Informationen über das Signal dieses Timers werden noch etwa 3 Minuten im Speicher des MK gespeichert (bis der Kondensator C2 nahezu auf Null entladen ist). Wenn zu diesem Zeitpunkt die Netzspannung wiederhergestellt ist, wartet das neu gestartete Programm, nachdem es ein Signal vom WDT im Speicher gefunden hat, auf das Drücken der SB1-Taste. Somit wird die Wiederherstellung der Netzspannung nach 4 ... 5 Minuten nach der Abschaltung vom Stabilisator als normal angesehen und daher nach 5 s (dem Zeitpunkt der Kontrollprüfung der Netzspannung) die Last über den Spartransformator wird es mit dem Netzwerk verbunden. Wenn der Stabilisator beispielsweise in Verbindung mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung oder einem anderen Gerät arbeitet, für das mögliche Zyklen zufälliger Ein-Aus-Spannung aufgrund eines Stromausfalls unkritisch sind, kann das Warten im Programm auf das Drücken der SB1-Taste umgangen werden ( siehe Kommentare im Programmquellcode). Das Drücken der SB1-Taste für 2 s während des normalen Betriebs des Geräts führt zu einer Lasttrennung und der Stabilisator geht in den Standby-Modus, ähnlich wie nach einem Stromausfall im Netzwerk. MK DD1 wird von zwei Quellen mit einer stabilisierten Spannung von 5 V gespeist. Im Standby-Modus, wenn der Spartransformator T1 vom Netzwerk getrennt ist (Triac VS1 ist geschlossen), ist der vom Steuergerät verbrauchte Strom minimal (20 ... 25). mA) und die Stromversorgung erfolgt über eine transformatorlose Quelle, bestehend aus dem Ballastkondensator C1 und der Zenerdiode VD3. Diese Quelle gewährleistet einen stabilen Betrieb des Mikrocontrollers, wenn sich die Netzspannung von 100 auf 400 V ändert. Wenn das Gerät vom Standby-Modus in den Betriebsmodus wechselt, wenn der Spartransformator T1 zusammen mit der Last (Optokoppler U1, einer der Optokoppler U2-U6 sowie eine der LEDs HL4-HL8 und ggf. HL1 oder HL3, blinkend, wenn sich die Netzspannung den Grenzen des zulässigen Bereichs nähert), erhöht sich der Stromverbrauch auf etwa 100 mA. In diesem Modus reicht die Leistung des transformatorlosen Netzteils nicht aus, um eine stabile (ohne spürbare Welligkeit) Versorgungsspannung von 5 V aufrechtzuerhalten. Um den Einfluss der Instabilität der MC-Versorgungsspannung auf das Ergebnis der Messung der Netzspannung auszuschließen, Das Gerät stellt eine zweite stabilisierte Spannungsquelle von 5 V bereit, die auf einem integrierten Stabilisator DA1 aufgebaut ist. Die C6R5R6-Schaltung erzeugt beim Anschluss des Geräts an das Netzwerk eine Zeitverzögerung vor dem Starten des MK, die erforderlich ist, damit die Spannung am Kondensator C2 auf einen Wert ansteigt, der den normalen Betrieb des MK gewährleistet. Der Stabilisator verwendet MLT-Festwiderstände, Trimmer (R2, R4) SP5-2. Kondensator C1 - MBGCH mit einer Nennspannung von mindestens 500 V. Es ist möglich, einen K73-17-Kondensator mit einer Nennspannung von 630 V zu verwenden (es ist jedoch zu beachten, dass die zulässige Amplitude der Wechselspannung dieses Kondensators 315 V nicht überschreitet). Es empfiehlt sich, eine Zenerdiode VD3 mit einer Stabilisierungsspannung von 0,05 ... 0,1 V größer als die Spannung am Ausgang des DA1-Stabilisators zu wählen. Triacs KU208G sind durch alle anderen austauschbar, die für den erforderlichen Strom und die erforderliche Spannung im geschlossenen Zustand von mindestens 400 V ausgelegt sind. Der T1-Spartransformator wurde von einem TS-180-2-Netzwerktransformator (von einem alten Schwarzweißfernseher) umgebaut. Im Spartransformatorbetrieb ist er in der Lage, eine Last mit einer Leistung von bis zu 1 kW zu versorgen [1]. Der verdrillte Magnetkreis dieses Transformators besteht aus zwei U-förmigen Teilen, auf denen Rahmen mit Wicklungen platziert sind. Die Wicklungen, deren Nummern im Diagramm ohne Striche angegeben sind, sind auf einem Rahmen gewickelt, auf dem anderen mit Strichen. Wenn wir uns auf die langfristige Ausgangsleistung des Stabilisators von 250 ... 300 W beschränken, können die Primärwicklungen 1-2 und 1'-2' mit 450 Windungen PEV-2 0,9 unverändert bleiben. In diesem Fall werden alle Sekundärwicklungen des Transformators entfernt und an ihrer Stelle neue mit PEV-20,9-mm-Draht gewickelt. Die Wicklungen 5-6 und 5'-6' sollten 75, 7-8 und 7'-8' - 100, die Wicklungen 9-10 - 35 Windungen enthalten. Wenn mehr Leistung benötigt wird, sollten sowohl die Primär- als auch alle Sekundärwicklungen mit einem Draht mit entsprechend größerem Querschnitt umwickelt werden [1]. Alle Teile des Spannungsreglers, mit Ausnahme des Kondensators C1, der Zenerdiode VD3, der Triacs VS1 - VS6 und des Spartransformators T1, sind auf einer 60x110 mm großen Leiterplatte aus doppelseitigem Folienglasfaser montiert. Für den Anschluss des MK ist auf der Platine ein 18-Slot-Panel verbaut. Die Triacs VS1-VS6 sind mit U-förmigen Kühlkörpern mit einer Ableitungsfläche von 25 cm2 ausgestattet, die aus einem 2 mm dicken Blech aus einer Aluminiumlegierung gebogen sind. Zusammen mit der VD3-Zenerdiode sind sie auf einer separaten 60x110 mm großen Glasfaserplatte montiert. Um die Geräusche eines funktionierenden Spartransformators zu reduzieren, empfiehlt es sich, an den Ecken vier Becher aus weichem Gummi mit einem Durchmesser von 15 und einer Dicke von 5 mm auf den Boden des Stabilisatorgehäuses zu kleben. Eine Ansicht der Installation des Stabilisators ist in Abb. dargestellt. 4.
MK-Firmware-Codes sind in der Tabelle angegeben.
Bei der Programmierung zeigt das Konfigurationsbyte Folgendes an: Generatortyp – HS, WDT und Einschalttimer sind aktiviert. Die Einrichtung des Stabilisators beginnt mit der Überprüfung des korrekten Anschlusses der Spartransformatorwicklungen. Dazu wird seine Primärwicklung 1-1' an das Netz angeschlossen und die Spannung zwischen den Klemmen 5-5' und 7-7' gemessen. Bei einer Netzspannung von 220 V sollte die erste 33, die zweite 44 V betragen. Wenn stattdessen die gemessene Spannung 0 beträgt, müssen die Anschlüsse der Wicklungen 5-6 oder 7-8 je nach vertauscht werden In diesem Fall stellte sich heraus, dass die Spannung gleich 0 war. Messen Sie dann die Spannung zwischen den Punkten Г und 5'. Wenn statt 187 253 V anfallen, sind die Anschlüsse 5 und 5' vertauscht. Abschließend wird die Spannung zwischen den Punkten 1' und 7 überprüft, die 264 V betragen sollte. Die Spannung von 176 V zeigt an, dass die Anschlüsse 7 und 7' vertauscht werden müssen. Um die Spannungsgrenzen einzustellen, bei denen der MK die entsprechende Umschaltung der Spartransformator-Anzapfungen durchführt, benötigen Sie eine einstellbare Wechselspannungsquelle (LATR), ein Wechselspannungsmessgerät mit einer Messumverteilung von 300 V und ein Oszilloskop. Stellen Sie den Stabilisator in dieser Reihenfolge ein. Nachdem Sie den Motor des Trimmerwiderstands R2 in die untere Position (gemäß Diagramm) gebracht haben, schließen Sie den Stabilisator an den LA-TR an und stellen Sie (laut Voltmeter) eine Spannung von 145 V an seinem Ausgang ein. Bewegen Sie dann langsam den Widerstandsmotor hochfahren (ebenfalls gemäß dem Diagramm) und die Form auf dem Oszilloskop-Bildschirm beobachten Spannung an der Zenerdiode VD1, bringen Sie die Signalamplitude auf einen Pegel, der etwa 0,1 V höher ist als seine Stabilisierungsspannung (der Beginn des Auftretens von a charakteristischer Bereich im Oszillogramm, siehe Abb. 3). Als nächstes stellen Sie den Motor des Abstimmwiderstands R4 auf die untere (gemäß Diagramm) Position (in diesem Fall sollte die rote LED HL3 leuchten) und bewegen ihn langsam nach oben, bis die grüne LED HL2 zu blinken beginnt. Anschließend wird an den Ausgang des Stabilisators eine Glühlampe mit einer Leistung von 100 ... 200 W angeschlossen. Durch die stufenlose Erhöhung der Spannung am LATR-Ausgang auf 290 V prüfen die HL4-HL8-LEDs die Spannungswerte, bei denen die Spartransformator-Stufen schalten, sowie die Obergrenze der Eingangsspannung, bei der der MK die Last abschaltet. Wenn möglich, ist es auch wünschenswert, die Leistung des Stabilisators bei einer langfristigen Versorgung seines Eingangs mit einer linearen Spannung von 380 V (aus einem Drehstromnetz) zu überprüfen. Die Werte der Spartransformator-Stufenschaltspannungen können geändert werden, indem die entsprechenden Konstanten am Anfang des Programms angepasst und der resultierende Text mit dem MPASM-Makro-Assembler-Compiler [2] neu kompiliert werden. Es ist notwendig, andere Änderungen am Quelltext, die sich auf den Algorithmus des Programms beziehen, mit äußerster Vorsicht vorzunehmen und die Bedeutung dieser Änderungen klar zu verstehen. Das mögliche Auftreten von Fehlern im Zusammenhang mit einer solchen Anpassung kann beispielsweise zum gleichzeitigen Einschalten eines Triac-Paares von VS2-VS6 (Kurzschlussmodus) oder zum Umschalten der Last bei einer Netzspannung von 250 V auf „+“ führen 20 % Hahn usw. Literatur
Autor: S.Koryakov, Schachty, Rostower Gebiet
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