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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Estabilizador de tensión de red con control por microcontrolador. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Microcontroladores Desafortunadamente, una desviación a largo plazo del voltaje de la red en más del 10% del valor nominal de 220 V en muchas regiones de nuestro país se ha convertido en algo común. Con un voltaje aumentado (hasta 240 ... 250 V) en la red, la vida útil de los dispositivos de iluminación se reduce significativamente, aumenta el calentamiento de las fuentes de alimentación del transformador y los motores en los compresores de refrigeración. Reducir el voltaje de la red por debajo de 160 ... 170 V provoca un aumento significativo en la carga de los transistores clave en las fuentes de alimentación conmutadas (esto puede provocar su sobrecalentamiento y la posterior falla térmica), así como el bloqueo de los motores en los compresores de refrigeración, que también conduce a su sobrecalentamiento y salida fuera de servicio. Se producen fluctuaciones de voltaje aún mayores para los consumidores monofásicos alimentados por una red trifásica en caso de rotura del cable neutro en el área desde el punto de conexión del consumidor a la red de cuatro hilos hasta la subestación transformadora. En este caso, debido al desequilibrio de fase, el voltaje en el tomacorriente puede variar desde varias decenas de voltios hasta 380 V lineales, lo que inevitablemente provocará daños en casi todos los electrodomésticos complejos conectados al tomacorriente. El estabilizador propuesto ayudará a evitar los problemas asociados con las fluctuaciones extremas de voltaje en la red. Para estabilizar la tensión de red en condiciones domésticas, se utilizan principalmente estabilizadores de ferrorresonancia. Sus desventajas incluyen la distorsión de la forma sinusoidal del voltaje de salida (por ejemplo, está prohibido conectar un refrigerador a dicho estabilizador), la potencia limitada de los estabilizadores domésticos (300 ... 400 W) con indicadores de peso y tamaño significativos, la incapacidad de trabajar sin carga, una falla de rango de estabilización estrecho a alto voltaje en la red. El estabilizador de voltaje de compensación está libre de estas deficiencias, cuyo diagrama de bloques se muestra en la fig. una.
Funciona según el principio de corrección de voltaje paso a paso, que se lleva a cabo al cambiar los grifos del devanado del autotransformador T1 usando los interruptores triac Q2-Q6 bajo el control de un microcontrolador (MK) que monitorea el nivel de voltaje en la red. El método utilizado en el estabilizador para estimar la amplitud de la tensión de red es extremadamente simple de implementar y proporciona una precisión de medición bastante suficiente para esta aplicación. Sin embargo, impone una serie de restricciones sobre el posible uso del dispositivo. En primer lugar, la frecuencia de la tensión de red debe permanecer constante (50 Hz). Esta condición puede violarse, por ejemplo, si la energía se suministra desde un generador diesel autónomo. Además, la precisión de la medición disminuye con el aumento de la distorsión no lineal de la forma de onda de la tensión de red, que se produce durante el funcionamiento de consumidores potentes muy próximos entre sí con una naturaleza inductiva pronunciada de la carga. El diagrama esquemático del dispositivo se muestra en la fig. 2.
Según el programa grabado en la memoria, MK DD1 mide la tensión de red en cada periodo (20 ms). Desde el divisor R1R2, las semiondas negativas de la tensión de red, que pasan por el diodo zener VD1, forman pulsos con una amplitud determinada por la tensión de estabilización del diodo zener, en este caso 10 V. Desde el divisor R3R4, que reduce la amplitud de la señal recibida al nivel TTL (Fig. 3), llegan estos pulsos a la línea 0 del puerto A, configurado para entrada. Usando la resistencia de ajuste R4, el nivel de señal inferior en la entrada MK se establece en 0,2 ... 0,3 V por debajo del nivel de registro. 0. A temperatura ambiente y un voltaje de suministro estabilizado, el nivel de voltaje de la transición de la entrada digital del microcircuito CMOS del estado del registro. 1 al estado del registro. 0 (y viceversa de 0 a 1 con algo de histéresis, que en este caso puede despreciarse debido a su valor constante) permanece casi constante.
Como puede verse en la fig. 3, cuando la tensión de red cambia de 145 a 275 V, la duración de los pulsos correspondientes al registro. 0, varía de aproximadamente 0,5 a 6 ms. Al medir la duración de estos pulsos, el programa MC calcula el nivel de voltaje de la red en el período actual. (R4.1 es la resistencia de parte de la resistencia R4 desde la parte inferior, según el diagrama, salida al motor). Después de encender el estabilizador, la tensión de red se controla durante 5 s. Si está en el rango de 145 ... 275 V, el LED verde HL2 "Normal" parpadea, de lo contrario se enciende el LED HL3 "Low" o HL1 "High" (dependiendo del valor de la tensión de red). En este estado, el estabilizador está hasta que el voltaje en la red ingresa a los límites especificados. Si después de 5 s el voltaje en la red se mantiene dentro de los límites aceptables, el MK da un comando para abrir el triac VS1, a través del cual se conecta el autotransformador T1 a la red. Después de eso, el MK realiza mediciones de control de la tensión de red durante otros 0,5 s y luego, según el resultado de la medición, abre uno de los triacs VS2-VS6, conectando así la carga a una de las cinco tomas del autotransformador. El aislamiento galvánico de triacs con MK se realiza mediante optoacopladores de tiristores U1-U6. En el proceso de regulación, el pulso de apertura se elimina del triac encendido al final del semiciclo de la sinusoide de la tensión de red. Después de eso, el programa MK hace una pausa de 4 ms y luego envía un pulso de apertura a otro triac. La duración del retraso entre el cambio de triacs se puede aumentar cambiando al comienzo del programa (en el bloque de descripción constante) el valor correspondiente del tiempo de retraso (ver comentarios en el código fuente del programa). Es necesario aumentar este tiempo a 10...15 ms si se conecta al estabilizador una carga inductiva con un factor de potencia inferior a 0,7...0,8. Si la tensión de red se desvía más allá de los límites permitidos, el triac VS1 apaga el autotransformador, junto con la carga. Los LEDs HL1-HL8 indican el estado del estabilizador y los niveles de tensión en la red. Dependiendo del valor de la tensión de red U, las salidas de los devanados adicionales del autotransformador se conmutan en el siguiente orden:
Para evitar la conmutación errática de los triacs en caso de que la tensión de red esté en el umbral de conmutación de las tomas del autotransformador, se ha introducido en el programa cierta "histéresis" en funcionamiento. Por ejemplo, si con un aumento en el voltaje de la red de 189 a 190 V, la carga se cambia del grifo "+ 20%" a "+ 10%", entonces el MC cambiará la carga nuevamente a "+ 20%" sólo cuando la tensión de red desciende hasta aproximadamente 187 V. El retardo entre el cambio de tensión en la red y la correspondiente conmutación de las tomas del autotransformador no supera los 40 ms. En caso de "fallo" de la tensión de red por debajo de 145 V durante más de 100 ms (puede modificarse, consulte los comentarios en el código fuente del programa), el MC desconecta el autotransformador con la carga conectada a él de la red. , mientras que el LED verde HL2 "Normal" se apaga y el LED rojo se enciende HL3 "Low". Si la tensión en la red supera los 275 V, la carga controlada se desconectará de la red después de 40 ms y se encenderá el LED rojo HL1 "Alto". Después de que la tensión de red vuelva a la normalidad (145 Cuando falla la tensión de red, la carga del condensador C2 es suficiente durante unos 30 segundos para mantener el funcionamiento normal del MK, luego el programa se congela, como resultado de lo cual se activa el temporizador de vigilancia independiente (WDT) integrado en el MK. . La información sobre la señal de este temporizador se almacena en la memoria del MK durante unos 3 minutos más (hasta que el condensador C2 se descarga casi a cero). Si en este momento se restablece el voltaje de la red, el programa recién iniciado, al encontrar una señal del WDT en la memoria, esperará a que se presione el botón SB1. Por lo tanto, el restablecimiento de la tensión de red después de 4 ... 5 minutos después del apagado será considerado por el estabilizador como regular y, por lo tanto, después de 5 s (el tiempo de la prueba de control de la tensión de red), la carga a través del autotransformador se conectará a la red. Si el estabilizador funciona, por ejemplo, en conjunto con una fuente de alimentación ininterrumpida u otro dispositivo para el cual los posibles ciclos de encendido y apagado aleatorios debido a un corte de energía no son críticos, se puede evitar esperar en el programa para presionar el botón SB1 ( ver comentarios en el código fuente del programa). Al presionar el botón SB1 durante 2 s durante el funcionamiento normal del dispositivo, se produce una desconexión de la carga y el estabilizador entra en modo de espera, similar al que ocurre después de un corte de energía en la red. MK DD1 está alimentado por dos fuentes de voltaje estabilizado de 5 V. En modo de espera, cuando el autotransformador T1 está desconectado de la red (el triac VS1 está cerrado), la corriente consumida por el dispositivo de control es mínima (20 ... 25 mA) y la energía se suministra desde una fuente sin transformador, que consiste en el condensador de balasto C1 y el diodo zener VD3. Esta fuente asegura el funcionamiento estable del microcontrolador cuando el voltaje de la red cambia de 100 a 400 V. Cuando el dispositivo pasa del modo de espera al modo de funcionamiento, cuando el autotransformador T1 está conectado a la red junto con la carga (el optoacoplador U1, uno de los optoacopladores U2-U6, así como uno de los LED HL4-HL8 y, posiblemente, HL1 o HL3, parpadeando cuando la tensión de red se acerca a los límites del rango permitido), el consumo de corriente aumenta a unos 100 mA. En este modo, la potencia de la fuente de alimentación sin transformador no es suficiente para mantener una tensión de alimentación estable (sin ondulaciones notables) de 5 V. Para excluir la influencia de la inestabilidad de la tensión de alimentación de MC en el resultado de la medición de la tensión de red, el dispositivo proporciona una segunda fuente de tensión estabilizada de 5 V, montada sobre un estabilizador integrado DA1. El circuito C6R5R6, cuando el dispositivo está conectado a la red, genera un tiempo de retardo antes de iniciar el MK, el cual es necesario para que el voltaje en el capacitor C2 suba a un nivel que asegure el funcionamiento normal del MK. El estabilizador utiliza resistencias fijas MLT, trimmers (R2, R4) SP5-2. Condensador C1 - MBGCH con una tensión nominal de al menos 500 V. Es posible utilizar un condensador K73-17 con una tensión nominal de 630 V (sin embargo, debe tenerse en cuenta que la amplitud permisible de la tensión alterna de este condensador no supere los 315 V). Es deseable seleccionar un diodo zener VD3 con un voltaje de estabilización de 0,05 ... 0,1 V mayor que el voltaje en la salida del estabilizador DA1. Los triacs KU208G son reemplazables por cualquier otro diseñado para la corriente y el voltaje requeridos en estado cerrado de al menos 400 V. El autotransformador T1 se convirtió a partir de un transformador de red TS-180-2 (de un viejo televisor en blanco y negro). En el modo de autotransformador, es capaz de alimentar una carga con una potencia de hasta 1 kW [1]. El circuito magnético trenzado de este transformador consta de dos partes en forma de U, en las que se colocan marcos con devanados. Los devanados, cuyos números se indican en el diagrama sin trazos, se enrollan en un marco, con trazos en el otro. Si nos limitamos a la potencia de salida a largo plazo del estabilizador 250 ... 300 W, los devanados primarios 1-2 y 1'-2', que contienen 450 vueltas de cable PEV-2 0,9, se pueden dejar sin cambios. En este caso, se retiran todos los devanados secundarios del transformador y se enrollan nuevos en su lugar con cable PEV-20,9 mm. Los devanados 5-6 y 5'-6' deben contener 75, 7-8 y 7'-8' - 100, el devanado 9-10 - 35 vueltas. Si se necesita más potencia, tanto el devanado primario como el secundario deben rebobinarse con un cable de una sección transversal apropiadamente mayor [1]. Todas las partes del regulador de voltaje, a excepción del capacitor C1, el diodo zener VD3, los triacs VS1 - VS6 y el autotransformador T1, están montadas en una placa de circuito impreso de 60x110 mm hecha de fibra de vidrio de lámina de doble cara. Se instala un panel de 18 ranuras en la placa para conectar el MK. Los triacs VS1-VS6 están equipados con disipadores de calor en forma de U con un área de disipación de 25 cm2, doblados a partir de una lámina de aleación de aluminio de 2 mm de espesor. Junto con el diodo zener VD3, se montan en una placa de fibra de vidrio separada de 60x110 mm. Para reducir el ruido de un autotransformador en funcionamiento, se recomienda pegar cuatro tazas de goma blanda con un diámetro de 15 y un grosor de 5 mm en la base de la carcasa del estabilizador en las esquinas. Una vista de la instalación del estabilizador se muestra en la fig. 4.
Los códigos de firmware MK se dan en la tabla.
Durante la programación, el byte de configuración indica: tipo de generador - HS, WDT y Power-up timer están habilitados. El establecimiento del estabilizador comienza con la verificación de la conexión correcta de los devanados del autotransformador. Para ello, se conecta a la red su devanado primario 1-1' y se mide la tensión entre los bornes 5-5' y 7-7'. Con un voltaje de red de 220 V, el primero de ellos debe ser 33, el segundo - 44 V. Si, en cambio, el voltaje medido es 0, es necesario cambiar las conclusiones de los devanados 5-6 o 7-8, según en cuyo caso el voltaje resultó ser igual a 0. Luego mida el voltaje entre los puntos à y 5'. Si en lugar de 187 se obtienen 253 V, se intercambian las conclusiones 5 y 5'. En conclusión, se verifica el voltaje entre los puntos 1' y 7, que debe ser igual a 264 V. El voltaje de 176 V indica que es necesario intercambiar las conclusiones 7 y 7'. Para establecer los límites de voltaje en los que el MK realiza la conmutación correspondiente de las tomas del autotransformador, necesitará una fuente de voltaje de CA ajustable (LATR), un voltímetro de CA con una redistribución de medición de 300 V y un osciloscopio. Ajuste el estabilizador en la siguiente secuencia. Después de haber movido el motor de la resistencia del trimmer R2 a la posición más baja (según el diagrama), conecte el estabilizador al LA-TR y configure (según el voltímetro) un voltaje de 145 V en su salida. Luego, moviendo lentamente el motor de resistencia (también de acuerdo con el diagrama) y observando la forma en la pantalla del osciloscopio voltaje en el diodo zener VD1, llevar la amplitud de la señal a un nivel que es aproximadamente 0,1 V más alto que su voltaje de estabilización (el comienzo de la aparición de un área característica en el oscilograma, ver Fig. 3). A continuación, coloque el motor de la resistencia de sintonización R4 en la posición más baja (según el diagrama) (en este caso, el LED rojo HL3 debería encenderse) y muévalo lentamente hacia arriba hasta que el LED verde HL2 comience a parpadear. Después de eso, una lámpara incandescente con una potencia de 100 ... 200 W se conecta a la salida del estabilizador. Al aumentar suavemente el voltaje en la salida LATR a 290 V, los LED HL4-HL8 verifican los valores de voltaje en los que las tomas del autotransformador cambian, así como el límite superior del voltaje de entrada en el que el MK apaga la carga. También es deseable, si es posible, verificar el rendimiento del estabilizador con un suministro a largo plazo de un voltaje lineal de 380 V a su entrada (desde una red trifásica). Los valores de los voltajes de conmutación de las tomas del autotransformador se pueden cambiar ajustando las constantes correspondientes al comienzo del programa y recompilando el texto resultante usando el compilador del ensamblador de macros MPASM [2]. Es necesario realizar otros cambios en el texto fuente relacionados con el algoritmo del programa con extrema precaución, comprendiendo claramente el significado de estos cambios. La posible aparición de errores asociados con dicho ajuste puede conducir, por ejemplo, al encendido simultáneo de un par de triacs de VS2-VS6 (modo de cortocircuito) o al cambio de la carga a una tensión de red de 250 V al "+ Toque de 20%", etc. Literatura
Autor: S.Koryakov, Shakhty, región de Rostov
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