Нагрузки в электросети

Устройство для «плавного» пуска нагрузки в электросети переменного тока

Вячеслав Калашник, г. Воронеж

При включении мощной нагрузки (мощные выпрямители, стабилизаторы напряжения, сварочные трансформаторы) в сеть появляется большой пусковой ток. Этот ток может вызвать большие негативные последствия, поэтому его необходимо уменьшать.

Существует много устройств для «плавного» пуска нагрузки в электросети, однако большинство из них не способны быстро возвратиться к исходному состоянию. Когда напряжение питающей сети исчезает и быстро вновь появляется, то оказывается, что подобное устройство не обладает быстрым самовозвратом и не может вновь осуществить «плавный» пуск.

Как правило, в подобных устройствах используются электромагнитные реле или тиристоры. Реле требуют большую мощность управляющих сигналов и имеют низкое быстродействие. Тиристоры плохо работают с нагрузкой, ток, потребляемый которой, сравним с током удержания тиристора. Кроме того, тиристоры создают помехи (если момент включения не совпадает с моментом перехода сетевого напряжения через нуль).

В [1] решается эта задача, но устройство выполнено с использованием реле, имеющих различное напряжение срабатывания. Применение мощных полевых транзисторов позволяет устранить эти недостатки.

На рисунке показана принципиальная электрическая схема устройства для «плавного» пуска нагрузки в электросеть с использованием в качестве коммутирующих элементов мощных полевых транзисторов. Питается устройство от однофазной сети переменного тока. Питание бестрансформаторное, но оно имеет некоторую особенность. Выпрямитель VD1 питается через ограничительные резисторы R1, R1* (т.е. без сдвига фазы), а выпрямитель VD2 питается через конденсатор С1 (т.е. со сдвигом в 90°), емкостное сопротивление которого ограничивает величину потребляемого устройством тока.

Диодные мосты VD1, VD2 образуют аналог двухфазного двухполупериодного выпрямительного моста. Таким образом, провал напряжения одного выпрямителя будет заполнен максимумом напряжения другого выпрямителя. Применение такого выпрямителя важно при низком напряжении сети (160 В). Это позволяет использовать сглаживающий конденсатор С2 меньшей емкости.

В [2] рассмотрена задача ограничения броска зарядного тока конденсаторов и сделан вывод: «необходимо ставить малогабаритный высокочастотный дроссель». Важным дополнительным преимуществом применения дросселя L1 является ослабление высокочастотных помех, проникающих из питающей сети. Использование вместо дросселя низкоомного токоограничительного резистора приводило к его обрыву.

Стабилитрон VD3 ограничивает напряжение питания уровнем в 15 В. Максимальный ток стабилизации этого стабилитрона 500 мА. Если необходимо использовать устройство в сети с напряжением, отличным от 220 В, то нужно пересчитать величину конденсатора С1 и резисторов R1, R1* .

Цепочка R5C4VD5 служит для установки RS-триггера (DD1.2, DD1.3) в исходное состояние в случае первоначального запуска и при последующих пропаданиях напряжения сети. Диод VD5 служит для быстрой разрядки конденсатора С4.

В момент включения устройства (а также при пропадании напряжения питающей сети) на выводе 8 логического элемента DD1.2 появляется уровень лог. «0», устанавливающий RS-триггер в состояние лог. «0» на выводе 11 ИМС DD1.3. Особенностью RS-триггера является то, что он срабатывает от первого импульса лог. «0», а на остальные он не реагирует.

Интегрирующая цепь R3C3VD4 создает временную задержку при включении силового ключа, порядка 3 с. В первоначальный момент заряд конденсатора С3 идет через резистор R3 от конденсатора С2. В случае пропадания сетевого напряжения диод VD4 быстро разряжает конденсатор С3. Таким образом, через 3 с на выходе логического элемента DD1.1 появляется лог. «0».

Итак, в исходный момент на выводе 8 DD1.2 - лог. «0», а на выводе 13 DD1.3 - лог. «1». Такому состоянию входных сигналов RS-триггера соответствует то, что на выводе

11 DD1.3 присутствует уровень нуля, транзистор VT1 закрыт. Электронный ключ закрыт, и напряжение сети поступает на нагрузку через ограничивающий резистор. После заряда конденсатора С4 на выводе 8 DD1.2 присутствует лог. «1». Единичные сигналы на обоих входах RS-триггера соответствуют режиму хранения информации триггера. Через 3 с на выводе 13 DD1.3 появляется лог. В случае кратковременного пропадания сети на конденсаторе С4 сформируется лог. «0», триггер вернется в первоначальное состояние и подаст низкий уровень на транзистор VT1, а следовательно, включит ограничивающей резистор в цепь нагрузки.

По истечению выдержки времени в 3 с триггер перевернется и отключит ограничивающий резистор. Временную задержку можно изменить путем изменения постоянной времени цепи R3C3.

В правой части рисунка показана принципиальная схема электронного ключа на полевых транзисторах с оптической развязкой цепей управления и силовой. Работает электронный ключ следующим образом. Учтем, что защитные диоды полевых транзисторов включены катодом к стоку. В исходном состоянии каналы полевых транзисторов закрыты (нет питания). Пусть положительная полуволна сетевого напряжения присутствует на выводе N. Ток проходит через резистор R10, стабилитрон VD7, защитный диод полевого транзистора VT2, фаза А. На стабилитроне VD7 возникает падение напряжения в 12 В. Через диод VD6 заряжается конденсатор С5, и микросхема DA1 получает питающее напряжение. При отрицательной полуволне сетевого напряжения на выводе N конденсатор С5 не подзаряжается, так как в этом случае падение напряжения на стабилитроне VD6 составляет около 0,7 В.

На ИМС DA1 выполнен инвертирующий триггер Шмитта. Использование интегрального таймера DA1 в качестве инвертирующего триггера Шмитта позволяет также улучшить работу устройства.

Пусть светодиод оптрона U1 не светит, тогда его транзистор закрыт. В результате на выводах 2, 6 инвертирующего триггера DA1 присутствует высокий уровень напряжения, а на выходе (вывод 3) - низкий. Транзисторы VT2, VT3 закрыты, и нагрузка обесточена. Если светит светодиод оптрона U1, он открывает его транзистор. На выводах 2, 6 инвертирующего триггера DA1 - низкий уровень напряжения, а выходе 3 - высокий уровень напряжения, который открывает полевые транзисторы VT2, VT3, и напряжение питающей сети будет приложено к нагрузке.

Печатная плата устройства имеет размеры 138х41 мм. Транзисторы VT2, VT3 выбирают исходя из величины рабочего тока установки, и их необходимо ставить на радиаторы. Например, транзистор IRFP37N50A имеет максимальный ток 37 А, максимальное напряжение исток-сток 500 В.

Литература

1. Зызюк А.Г. Доработка стабилизатора сетевого напряжения LPS-2500RV // Электрик. - 2010. - №1-2. -С.54-56.

2. Уменьшение пульсаций в блоке питания с емкостным балластом // Схемотехника. - 2005. - №6. - С.16-18.