Меню

Трансформатор для компенсации падения напряжения

Управление напряжением на удаленной нагрузке по медным проводам любой длины

Linear Technology LT6110 LT3080 LT3976

Philip Karantzalis, Linear Technology

Design Note 529

Введение

Общей проблемой систем распределенного питания является потеря качества регулирования, обусловленная падением напряжения на проводах, связывающих стабилизатор с нагрузкой. При любом увеличении сопротивления проводов, длины кабеля или тока нагрузки растет падение напряжения на подводящих проводах, увеличивающее разность между истинным напряжением на нагрузке и напряжением, воспринимаемым регулятором. Одним из способов повышения качества регулирования при длинных межблочных связях является непосредственное измерение напряжения в точке его потребления с использованием 4-проводного подключения Кельвина между регулятором и нагрузкой. К сожалению, при таком решении требуется прокладка к нагрузке дополнительных проводов, а также установка резистивного датчика возле нагрузки, что крайне сложно, когда нагрузка недоступна для вмешательства. Еще один метод заключается в минимизации падения напряжения путем использования соединительных медных проводов большего сечения. Электрически это очень просто, но механически может быть трудновыполнимо. Увеличение размеров кабелей требует дополнительного места для их прокладки, которого иногда может и не быть и, кроме того, приводит к росту стоимости системы.

Альтернативой дополнительным проводам является компенсация падения напряжения в линии непосредственно на регуляторе с помощью специально разработанной для этих целей микросхемы LT6110, не требующей использования дополнительных проводов. В этой статье показано, каким образом LT6110 может улучшить качество стабилизации, в широком диапазоне компенсировав напряжения, падающие на проводах между регулятором и нагрузкой.

Компенсатор падения напряжения в линии LT6110

На Рисунке 1 показана блок-схема, иллюстрирующая метод однопроводной компенсации. Если цепь удаленной нагрузки не имеет общей с регулятором земли, потребуются два провода: один к нагрузке и один для обеспечения пути протекания возвратного тока шины земли. Усилитель датчика тока положительной шины в микросхеме LT6110, измеряя падение напряжения VSENSE на резисторе RSENSE, генерирует ток IIOUT, пропорциональный току нагрузки ILOAD. Ток IIOUT программируется резистором RIN в диапазоне от 10 мкА до 1 мА. Компенсация напряжения VDROP, падающего на проводах, осуществляется путем генерации тока IIOUT, втекающего через резистор обратной связи RFA и увеличивающего выходное напряжение регулятора на величину, равную VDROP. Схема компенсации, основанная на микросхеме LT6110, исключительно проста; достаточно установить произведение IIOUT×RFA равным максимальному падению напряжения на проводе.

Рисунок 1. Для компенсации падения напряжения в линиях, идущих к удаленной нагрузке,
не нужны дополнительные провода.

LT6110 содержит внутренний токоизмерительный резистор RSENSE сопротивлением 20 мОм, рассчитанный на токи до 3 А. При токах, превышающих 3 А, потребуется внешний резистор RSENSE. В качестве RSENSE можно использовать резистор датчика тока, сопротивление постоянному току катушки индуктивности или сопротивление проводника печатной платы. В дополнение к втекающему току IIOUT, на выводе IMON микросхемы LT6110 можно получить вытекающий ток для компенсации линейных стабилизаторов с внутренними источниками опорного тока, таких, например, как LT3080.

Компенсация падения напряжения на проводах в схеме понижающего преобразователя

На Рисунке 2 изображена законченная система компенсации падения напряжения на проводах, состоящая из понижающего преобразователя 3.3 В/5 А и микросхемы LT6110, регулирующая напряжение на удаленной нагрузке, подключенной проводом длиной 6 м и сечением 0.82 мм 2 . Большой выходной ток регулятора (5 А) вынуждает использовать внешний токоизмерительный резистор RSENSE.

Рисунок 2. Пример регулирования сильноточной удаленной нагрузки:
понижающий преобразователь 3.3 В/5 А с компенсатором
падения напряжения линии LT6110.

Максимальный ток ILOAD, равный 5 А, протекая через провод сопротивлением 140 мОм и резистор RSENSE сопротивлением 25 мОм, создает падение напряжения 825 мВ. Для стабилизации напряжения нагрузки VLOAD в диапазоне токов нагрузки 0 A ≤ ILOAD ≤ 5 A произведение IIOUT×RFA должно равняться 825 мВ. Тут возможны два подхода: задаться током IIOUT и рассчитать сопротивление резистора RFA, или, выбрав большие сопротивления резисторов обратной связи, чтобы ток через них был минимальным, рассчитать сопротивление RIN, при котором IIOUT будет иметь требуемое значение. В типичном случае IIOUT выбирают равным 100 мкА, при этом ошибка IIOUT в диапазоне от 30 мкА до 300 мкА не превышает 1%. В схеме на Рисунке 2 ток в цепи обратной связи равен 6 мкА (VFB/200 кОм), RFA = 10 кОм, а значение сопротивления RIN рассчитывается таким, чтобы IIOUT×RFA = 825 мВ.

для RFA = 10 кОм, RSENSE = 25 мОм и RWIRE = 140 мОм получаем RIN = 1.5 кОм.

Без компенсации падения на проводах изменение ΔVLOAD напряжения на нагрузке составляло бы 700 мВ (5 × 140 мОм), что при выходном напряжении 3.3 В приводило бы к ошибке 21.2%. LT6110 при окружающей температуре 25 °C уменьшает ΔVLOAD до 50 мВ, что соответствует ошибке в 1.5%. Таким образом, качество регулирования улучшается на порядок.

Читайте также:  Напряжение бортовой сети автомобиля 24в

Точная стабилизация выходного напряжения

Для случаев, когда достаточно невысокой точности регулирования выходного напряжения, знания точного значения RWIRE не требуется. Ошибка выходного напряжения является произведением двух ошибок: ошибки, вносимой сопротивлением кабеля и собственной ошибки цепи компенсации на микросхеме LT6110. Например, при использовании схемы на Рисунке 2, даже в случае, если ошибка расчета сопротивлений RSENSE и RWIRE составит 25%, результирующая ошибка VLOAD будет снижена микросхемой LT6110 до 6.25%.

Для высокоточной стабилизации напряжения требуется точная оценка величины сопротивления между источником питания и нагрузкой. Если достаточно правильно определить суммарную величину сопротивлений RWIRE, RSENSE, кабельных разъемов и дорожек печатной платы, LT6110 сможет компенсировать падения напряжений в более широком диапазоне и с большей степенью точности.

С помощью микросхемы LT6110, тщательно определив величину RWIRE и установив прецизионный резистор RSENSE, ошибку компенсации ΔVLOAD можно уменьшить при любой длине подводящих проводов.

Заключение

Микросхема компенсатора падения напряжения в линии LT6110 улучшает качество регулирования напряжения на удаленных нагрузках, на которое оказывают существенное влияние большие токи, длинные участки кабеля и сопротивления. Для точной стабилизации не требуются ни дополнительные провода, ни схемы Кельвина – ничего из того, что является недостатками иных решений. Напротив, решения на основе компенсатора занимают совсем немного места, несложны в реализации и позволяют снизить стоимость компонентов.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник



Компенсатор падения напряжения Dip-Free (ДКИН)

компенсатор падения напряжения / динамический компенсатор искажений напряжения - ДКИН

Как компенсировать падение напряжения в сети? Как известно, кратковременные падения напряжения на 10-90% (или провалы до нуля) длительностью (от сотых долей до 1-5 секунд) — достаточно частые явления и могу случаться десятки раз за день.

Причины провалов напряжения

Причины могут быть самые разные: сбои в работе электросети; включение различных мощных устрйств — лифт, сварочный аппарта, станок, мощный электроинструмент и т.д.; неисправности или поломки источников питания / электрооборудования; одновременное включение большого числа электроустройств; повреждение / ремонт силовых линий; природные явления — сильный ветер / дождь, гром и молнии, пожары — все это вызывает падение напряжения в сети, и, как следствие, ухудшает работу электрооборудования и даже может вывести его из строя.

Кратковременное падение напряжения длительность до 1-5 секунд — достаточно серьезная проблема

Особенно для промышленных предприятий и производств с непрерывными / автоматизированными процессами. Данное явление вызывает сбои и может вызвать перезагрузку целого процесс (например конвейера), что веден к прямым и косвенным материальным потерям, а главное — может привести к выходу из строя электрооборудования, что уже влечет за собой крупные финансовые потери. Например, понижение напряжения (или провал до нуля) всего на полсекунды, может вызвать сбой и остановку производственного конвейера, что потребует его перезагрузку и переналадку длительностью до нескольких часов! Даже обычная офисная техника, в среднем, испытывает на себе более 100 раз провалов напряжения в месяц (исследования IBM).

Динамический компенсатор падения напряжения и источник бесперебойного питания

Есть два основных устройства, решающих проблему провалов напряжения:

  • Динамический компенсатор падения напряжения (Dynamic Voltage-Dip Compensator);
  • Источник бесперебойного питания — ИБП / UPS (Uninterruptible Power Supply);

График компенсации падения / провалов напряжения

Принципиальное различие между ними в том, что в случае падения напряжения UPS/ИБП восстанавливает и поддерживает питание в среднем на 5-30 минут (обеспечивает аккумуляторная батарея), а компенсатор восстанавливает провалы напряжения длительностью вплоть до 5 секунд за счет силового конденсатора.

На первый взгляд кажется, что источник ИБП предпочтительнее компенсатора, ведь он держит питание гораздо дольше. Но это не совсем так. Дело в том, что ИБП предназначен в случае когда происходит полное отключение электроэнергии на какой-то длительный период (минуты, часы и т.д.), что бывает редко. Вспмните, как часто у вас происходит отключение электричества? Один раз в месяц, в квартал или в год? А вот кратковременные падения напряжения (от 1 мсек до 1-5 сек.) случаются постоянно — иногда десятки раз в день (см. выше — «Причины провалов напряжения»), и актуальность защиты от этого гораздо выше и чаще применима на практике. Именно для этого и предназначен компенсатор падения напряжения (принцип действия его отражен на графике).

В принципе, ИБП может защитить от кратковременных падений напряжений, но частое переключение аккумуляторной батареи очень плохо влияет на ее срок жизни, при этом батарея быстро выходит из строя и требуется ее замена, — а это до 80% стоимости ИБП. UPS просто не предназначен для такого режима работы, другими словами — ему надо редко и на долго.

Читайте также:  Определить вторичное линейное напряжение трансформатора

К основным недостаткам ИБП (аккумуляторов / батареи) можно отнести:

  • время работы батареи очень сильно снижается при частых перезарядках;
  • частое включение/выключение батареи выводит ее из строя, снижается срок работы;
  • ежегодная потеря мощности аккумуляторой батареи (до 10% в год);
  • количество циклов перезаряда — 100-300 (не все батареи могут восстанавливаться после полного разряда);
  • необходима вентиляция и принудительно охлаждение батареи (вентиляторы тоже выходят из строя);
  • при сильном разряде — требуется время на перезарядку/готовность к работе;
  • требуется обслуживание аккумуляторой батареи («тренировка», тестирование, замена);
  • аккумуляторы громозкие, а отходы их токсичны;

динамический компенсатор искажений напряжения - ДКИН

Компенсатор падения напряжения (или динамический компенсатор искажений напряжения — ДКИН) по времени держит напряжение максимум до 5 секунд, но он может это делать по несколько раз в минуту (!), и это ему нисколько не вредит — это и есть его обычный режим работы.

Количество циклов заряд-разряд — десятки тысяч! При этом срок службы его более 10 лет, он абсолютно не требует обслуживания, не требуется принудительного охлаждения, у него не происходит потери мощности/емкости, время полного заряда/восстановления всего 1 мсек — он всегда «готов» к работе.

Этот промышленный прибор (ДКИН) необходим для устранения всех кратковременных (от 1 мсек до 5 сек) просадок питающего напряжения вплоть до полного «нуля», и позволяет избежать остановку любого технологического процесса, защитить дорогостоящее оборудование и избежать крупных финансовых потерь, связанных с вынужденным простоем производства в результате сбоев в питающей сети.

Сравнение компенсаторов и ИБП

В таблице показаны основные сравнительные характеристики и показатели компенсаторов и ИБП при одинаковой мощности в 1 кВт

Компенсатор падения напряжения Dip-Free (Gumsung, Корея)

Компания ООО МЕТРИНС является прямым поставщиком данного оборудования на территории России (производитель Gumsung / Корея), осуществляет гарантийное и после гарантийное обслуживание и предлагает компенсаторы падения напряжения (the compensators of the voltage drop) серии DVC-хххх-N2 (220 В) различной мощности*:

  • Напряжение питания: AC 200-230 В, 50/60 Hz;
  • Выходное напряжение (компенсации): AC 220 В (200/210/220/230 В) 50/60 Hz (±3%);
  • Время компенсации: номин. — 1 сек. (макс. до 5 сек. Диапазон от 0.1 до 5 сек., с шагом 0.1 сек.);
  • Время полного восстановления заряда: 1 мс;
  • Защита от перегрузки (кратковременного сверхтока): до 25 А (до 1кВт), до 50 А (более 1кВт);
  • Дисплей: двухразрядный красный, с 7 сегментами;
  • Счетчик компенсаций: 0-99;
  • Рабочая температура: 0-45 С (отн. вл. 30 — 90%);
  • Вес, кг: 3-5 кг (модели 350/600/850/1250); 14-18 кг (модели 1800/2000/3500); 25 кг (модель 5000);

Имитатор просадки / провалов напряжения

Для того чтобы лучше подобрать необходимый вам компенсатор или шкаф-ДКИН на его основе, мы рекомендуем использовать тестовый прибор — Имитатор просадки / провалов напряжения. Данный прибор предназначен для создания падений / просадки напряжения (или даже кратковременных отключений с длительность до 10 сек.), и позволяет не только тестировать нагрузку, но и лучше определиться с выбором компенсаторов падения напряжения (динамических компенсаторов искажения напряжения — ДКИН).

Руководство по эксплуатации

(характеристики, монтаж и подключение, настройки)

Технические характеристики ДКИН’ов
(динамических компенсаторов искажения напряжения)

По вопросам поставок или если вам требуется консультация — обращайтесь к нам, и мы с удовольствием ответим на все ваши вопросы: вопросы/запрос поставки

ДКИН шкафы управления и автоматики / автоматизации защиты ДКИН-шкафы управления и автоматики / автоматизации защиты — На основе поставляемых в Россию динамических компенсаторов падения напряжения Dip-Free (ДКИН), компания ООО «Метринс» (официальный эксклюзивный поставщик компенсаторов ДКИН Gumsung / Южная Корея на территории России и стран СНГ) наладила собственную сборку и производство шкафов управления и автоматизации для защиты и обеспечения бесперебойной и устойчивой работы технологического оборудования.

Источник

Устройства защиты от провалов напряжения

Устройства защиты от провалов напряженияРассмотрим различные системы, защищающие промышленное производство от провалов напряжения (маховик, статический источник бесперебойного питания (ИБП), динамический компенсатор искажений напряжения, статический компенсатор (СТАТКОМ), параллельно соединенный СД, повышающий преобразователь, активный фильтр и бестрансформаторный последовательный усилитель).

Провалы напряжения являются одним из наиболее дорогостоящих явлений в промышленности. Самый легкий способ защитить чувствительные процессы от всех провалов — это установка ИБП . Однако из-за большой стоимости их закупки и обслуживания ИБП устанавливают только на основных структурных объектах, в местах, где повреждения, вызванные проблемами с электропитанием, могут причинить значительные повреждения, например в больницах, при производстве компьютеров, в финансовых учреждениях.

При решении вопроса об установке защитного оборудования должен быть проведен технико-экономический расчет, показывающий обоснованность установки ИБП для того или иного производственного процесса.

Читайте также:  Защита бытовой техники от скачков напряжения розетка

Проблема защиты электродвигателей с различными скоростями в промышленном производстве от провалов напряжения на данный момент решена. Из-за широкого разнообразия торговых марок таких систем найти оптимальное технико-экономическое решение этой проблемы не очень просто.

Типы корректирующего оборудования

Маховик вместе с двигатель-генератором (Д-Г) может защитить критические процессы нарушения производства от всех падений напряжения в энергосистеме С. Когда происходят падения напряжения, то снижение напряжения у нагрузки замедляется маховиком. Различные схемы соединения маховика с двигатель-генератором похожи на ту, которая изображена на 1.

Схема использования маховика для компенсации провалов напряжения

Рис. 1. Схема использования маховика для компенсации провалов напряжения

Основные компоненты независимого статического ИБП представлены на рис. 2, батареи (конденсаторы) которого запасают энергию только на защиту от провалов напряжения на короткое время. Если произошел провал напряжения, нагрузка питается от батареи через преобразователь напряжения постоянного — переменного тока.

Схема использования ИБП для компенсации провалов напряжения

Рис. 2. Схема использования ИБП для компенсации провалов напряжения

Динамический компенсатор искажений напряжения в течение провала напряжения остается подсоединенным к электрической сети 1 через трансформатор 2 и определяет отсутствующую часть напряжения (рис. 3). Он добавляет эту отсутствующую часть напряжения через первичную 4 и вторичную 3 обмотки автотрансформатора, соединенного последовательно с нагрузкой 7. В зависимости от назначения энергия для питания нагрузки 7 через преобразователь напряжения 5 в течение провала напряжения может забираться из сети или от дополнительного источника энергии (в основном от конденсаторов в).

Рассмотрим две модификации различных производителей. Первая (далее ДКИН-1) не содержит источников энергии и постоянно подключена. Этот вариант экономически целесообразен для повышения напряжения до 50 %. Существует модификация устройства ДКИН со способностью к подъему напряжения на 30 %. Считается, что начиная с этой модификации устройства ДКИН (30 %) целесообразно их применение в производстве.

Схема использования ДКИН для компенсации провалов напряжения

Рис. 3. Схема использования ДКИН для компенсации провалов напряжения

Вторая модификация (ДКИН-2) содержит источник энергии, рассчитанный на большую нагрузку. Двухмегаваттное устройство способно поднять напряжение нагрузки мощностью 4 МВт на 50 % или мощностью 8 МВт на 23 %. В отличие от большинства других устройств, мощность источника энергии способна выдержать длительные провалы.

Статический компенсатор (СТАТКОМ) — это устройство компенсации провалов напряжения, подсоединенное параллельно нагрузке (рис. 4). Устройство СТАТКОМ может снижать провалы напряжения путем изменения реактивной нагрузки в узле подключения.

Способность снижать провалы может быть расширена путем добавления дополнительного источника энергии, такого как сверхпроводящий магнитный источник энергии. Хотя компенсаторы СТАТКОМ (рис. 4) способны поглощать и возвращать реактивную мощность Q статком их применение обычно ограничивается статической компенсацией по причинам экономического характера.

Система СТАТКОМ в режиме снижения напряжения переходит в режим постоянного источника тока. Напряжение на выводах конденсатора может поддерживаться постоянным.

Статический компенсатор

Рис. 4. Статический компенсатор

Параллельно подсоединенный синхронный двигатель (СД) несколько напоминает СТАТКОМ, но не содержит силовой электроники (рис. 5). Способность синхронного двигателя обеспечить большую реактивную нагрузку позволяет такой системе восполнять провалы напряжения глубиной до 60 % на протяжении 6 с. Вместе с этим маленький маховик защищает нагрузку против полного отключения электроэнергии на время 100 мс.

Параллельно подсоединенный СД и маховик

Рис. 5. Параллельно подсоединенный СД и маховик: 1 — энергосистема; 2 — трансформатор; 3 — выключатель

Повышающий конвертор — это преобразователь постоянного тока, повышающий напряжение шин постоянного напряжения (например, двигателя переменной частоты) до номинального уровня (рис. 6).

Наибольший провал напряжения, который может быть компенсирован, зависит от номинального тока повышающего конвертора. Повышающий конвертор начинает работать, как только провал напряжения будет зафиксирован на шинах постоянного тока прибора. Наряду со способностью обеспечить компенсацию симметричного провала напряжения вплоть до 50 % повышающий конвертор имеет возможность компенсировать глубокие несимметричные провалы, такие как полный выход из строя одной из фаз. Для защиты против полного отключения электроэнергии повышающий конвертор может быть дополнен батареями.

Активный фильтр ( рис. 7) — это преобразователь, который работает как выпрямитель при использовании IGBT-тиристоров вместо диодов.

Активный фильтр может постоянно поддерживать напряжение в течение всего провала напряжения. Номинальный ток активного фильтра определяет максимальное значение корректировки провала напряжения.

Активный фильтр

Рис. 7. Активный фильтр

В случае возникновения провала напряжения бестрансформаторная схема компенсации провала напряжения (рис. 8) открывается и нагрузка питается через инвертор. Энергия на шинах постоянного напряжения инвертора поддерживается двумя заряженными последовательно соединенными конденсаторами.

Бестрансформаторная последовательная компенсация провала напряжения

Рис. 8. Бестрансформаторная последовательная компенсация провала напряжения

Для остаточного напряжения равного 50 % может быть обеспечен номинальный уровень напряжения. В данном устройстве необязательные источники питания (конденсаторы) могут смягчить полное отключение электроэнергии на ограниченный период времени. Устройство обеспечивает возможность восстановления напряжения и при несимметричных провалах напряжения.

Источник

Adblock
detector