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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Estabilizador de tensão de rede com controle por microcontrolador. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Microcontroladores Um desvio de longo prazo da tensão da rede elétrica em mais de 10% do valor nominal de 220 V em muitas regiões do nosso país, infelizmente, tornou-se uma ocorrência comum. Com uma tensão aumentada (até 240 ... 250 V) na rede, a vida útil dos dispositivos de iluminação é significativamente reduzida, o aquecimento das fontes de alimentação do transformador e dos motores nos compressores de geladeira aumenta. A redução da tensão de rede abaixo de 160 ... 170 V causa um aumento significativo na carga dos transistores chave nas fontes de alimentação de comutação (isso pode levar ao seu superaquecimento e posterior ruptura térmica), além de travamento de motores em compressores de geladeira, que também leva ao seu superaquecimento e saída fora de serviço. Flutuações de tensão ainda maiores para consumidores monofásicos alimentados por rede trifásica ocorrem em caso de interrupção do fio neutro na área do ponto de conexão do consumidor à rede de quatro fios até a subestação transformadora. Nesse caso, devido ao desequilíbrio de fase, a tensão na tomada pode variar de várias dezenas de volts até 380 V lineares, o que inevitavelmente causará danos a quase todos os eletrodomésticos complexos conectados à tomada. O estabilizador proposto ajudará a evitar os problemas associados a flutuações extremas de tensão na rede. Para estabilizar a tensão da rede em condições domésticas, são usados principalmente estabilizadores ferrorressonantes. Suas desvantagens incluem distorção da forma senoidal da tensão de saída (por exemplo, é proibido conectar um refrigerador a esse estabilizador), a energia limitada dos estabilizadores domésticos (300 ... falha em alta tensão na rede. O estabilizador de tensão de compensação está livre dessas deficiências, cujo diagrama de blocos é mostrado na fig. 1.
Ele funciona com o princípio da correção de tensão stepwise, realizada pela comutação das derivações do enrolamento do autotransformador T1 usando chaves triac Q2-Q6 sob o controle de um microcontrolador (MK) que monitora o nível de tensão na rede. O método utilizado no estabilizador para estimar a amplitude da tensão da rede é extremamente simples de implementar e fornece precisão de medição bastante suficiente para esta aplicação. No entanto, impõe uma série de restrições ao possível uso do dispositivo. Em primeiro lugar, a frequência da tensão da rede deve permanecer constante (50 Hz). Esta condição pode ser violada, por exemplo, se a energia for fornecida por um gerador a diesel autônomo. Além disso, a precisão da medição diminui com o crescimento de distorções não lineares da forma de onda da tensão da rede, que ocorrem durante a operação de consumidores poderosos espaçados com uma natureza indutiva da carga fortemente pronunciada. O diagrama esquemático do dispositivo é mostrado na fig. 2.
De acordo com o programa gravado na memória, o MK DD1 mede a tensão da rede em cada período (20 ms). Do divisor R1R2, as meias-ondas negativas da tensão da rede, passando pelo diodo zener VD1, formam pulsos com uma amplitude determinada pela tensão de estabilização do diodo zener, neste caso 10 V. Do divisor R3R4, que reduz a amplitude do sinal recebido ao nível TTL (Fig. 3), esses pulsos chegam à linha 0 da porta A, configurada para entrada. Usando o resistor trimmer R4, o nível de sinal inferior na entrada MK é definido para 0,2 ... 0,3 V abaixo do nível de log. 0. À temperatura ambiente e uma tensão de alimentação estabilizada, o nível de tensão da transição da entrada digital do microcircuito CMOS do estado do log. 1 para o estado do log. 0 (e de volta de 0 para 1 com alguma histerese, que neste caso pode ser desprezada devido ao seu valor constante) permanece quase constante.
Como pode ser visto a partir da fig. 3, quando a tensão da rede muda de 145 para 275 V, a duração dos pulsos corresponde ao log. 0, varia de cerca de 0,5 a 6 ms. Ao medir a duração desses pulsos, o programa MC calcula o nível de tensão da rede no período atual. (R4.1 é a resistência de parte do resistor R4 da parte inferior - conforme o diagrama - saída para o motor). Após ligar o estabilizador, a tensão da rede é controlada por 5 s. Se estiver na faixa de 145 ... 275 V, o LED verde HL2 "Normal" pisca, caso contrário, o LED HL3 "Low" ou HL1 "High" acende (dependendo do valor da tensão da rede). Nesse estado, o estabilizador fica até que a tensão na rede entre nos limites especificados. Se após 5 s a tensão na rede permanecer dentro dos limites aceitáveis, o MK emite um comando para abrir o triac VS1, através do qual o autotransformador T1 é conectado à rede. Depois disso, o MK faz medições de controle da tensão da rede por mais 0,5 s e, dependendo do resultado da medição, abre um dos triacs VS2-VS6, conectando a carga a um dos cinco taps do autotransformador. O isolamento galvânico de triacs com MK é realizado por optoacopladores tiristores U1-U6. No processo de regulação, o pulso de abertura é removido do triac ligado no final do meio ciclo da senóide da tensão de rede. Depois disso, o programa MK faz uma pausa de 4 ms e, em seguida, envia um pulso de abertura para outro triac. A duração do atraso entre os triacs de comutação pode ser aumentada alterando no início do programa (no bloco de descrição constante) o valor correspondente do tempo de atraso (ver comentários no código-fonte do programa). Aumentar este tempo para 10...15 ms é necessário se uma carga indutiva com um fator de potência inferior a 0,7...0,8 for conectada ao estabilizador. Se a tensão da rede se desviar além dos limites permitidos, o autotransformador, juntamente com a carga, é desligado pelo triac VS1. Os LEDs HL1-HL8 indicam o estado do estabilizador e os níveis de tensão na rede. Dependendo do valor da tensão de rede U, as saídas dos enrolamentos adicionais do autotransformador são comutadas na seguinte ordem:
Para evitar a comutação errática dos triacs caso a tensão da rede esteja no limite de comutação dos taps do autotransformador, alguma "histerese" em operação foi introduzida no programa. Por exemplo, se com um aumento na tensão de rede de 189 para 190 V, a carga é comutada do tap "+ 20%" para "+ 10%", então o MC irá comutar a carga de volta para "+ 20%" somente quando a tensão de rede cai para aproximadamente 187 V. O atraso entre a mudança de tensão na rede e a comutação correspondente dos taps do autotransformador não excede 40 ms. No caso de uma "falha" da rede elétrica abaixo de 145 V por mais de 100 ms (pode ser alterada, veja comentários no código fonte do programa), o MC desconecta o autotransformador com a carga conectada a ele da rede , enquanto o LED verde HL2 "Normal" se apaga e o LED vermelho HL3 "Low" acende. Se a tensão na rede subir acima de 275 V, a carga controlada será desconectada da rede após 40 ms e o LED vermelho HL1 "High" acenderá. Depois que a tensão de rede voltar ao normal (145 Quando a tensão de rede falha, a carga do capacitor C2 é suficiente por cerca de 30 segundos para manter a operação normal do MK, então o programa congela, como resultado do qual o temporizador de vigilância independente (WDT) embutido no MK é acionado . As informações sobre o sinal deste temporizador são armazenadas na memória do MK por cerca de 3 minutos a mais (até que o capacitor C2 seja descarregado a quase zero). Se neste momento a tensão da rede for restaurada, o programa recém-lançado, tendo encontrado um sinal do WDT na memória, aguardará o pressionamento do botão SB1. Assim, a restauração da tensão de rede após 4 ... 5 minutos após o desligamento será considerada pelo estabilizador como regular e, portanto, após 5 s (tempo de teste de controle da tensão de rede), a carga através do autotransformador será conectado à rede. Se o estabilizador funcionar, por exemplo, em conjunto com uma fonte de alimentação ininterrupta ou outro dispositivo para o qual os possíveis ciclos de tensão on-off aleatória devido a uma queda de energia não sejam críticos, a espera no programa para pressionar o botão SB1 pode ser ignorada ( veja os comentários no código-fonte do programa). Pressionar o botão SB1 por 2 s durante a operação normal do dispositivo leva à desconexão da carga e o estabilizador entra no modo de espera, semelhante ao que ocorre após uma falha de energia na rede. O MK DD1 é alimentado por duas fontes de tensão estabilizada de 5 V. No modo de espera, quando o autotransformador T1 é desconectado da rede (VS1 triac está fechado), a corrente consumida pelo dispositivo de controle é mínima (20 ... 25 mA) e a energia é fornecida por uma fonte sem transformador, consistindo do capacitor de lastro C1 e do diodo zener VD3. Esta fonte garante uma operação estável do microcontrolador quando a tensão da rede muda de 100 para 400 V. Quando o dispositivo muda do modo de espera para o modo de operação, quando o autotransformador T1 é conectado à rede junto com a carga (optoacoplador U1, um dos optoacopladores U2-U6, bem como um dos LEDs HL4-HL8 e, possivelmente, HL1 ou HL3, piscando quando a tensão da rede se aproxima dos limites da faixa permitida), o consumo de corrente aumenta para cerca de 100 mA. Neste modo, a potência da fonte de alimentação sem transformador não é suficiente para manter uma tensão de alimentação estável (sem ondulações perceptíveis) de 5 V. Para excluir a influência da instabilidade da tensão de alimentação do MC no resultado da medição da tensão de rede, o dispositivo fornece uma segunda fonte de tensão estabilizada de 5 V, montada em um estabilizador DA1 integrado. O circuito C6R5R6, quando o dispositivo está conectado à rede, gera um atraso de tempo antes de iniciar o MK, necessário para que a tensão no capacitor C2 suba a um nível que garanta o funcionamento normal do MK. O estabilizador usa resistores fixos MLT, trimmers (R2, R4) SP5-2. Capacitor C1 - MBGCH com tensão nominal de pelo menos 500 V. É possível usar um capacitor K73-17 com tensão nominal de 630 V (deve-se, no entanto, observar que a amplitude permitida da tensão alternada deste capacitor não exceda 315 V). É desejável selecionar um diodo zener VD3 com uma tensão de estabilização de 0,05 ... 0,1 V maior que a tensão na saída do estabilizador DA1. Os Triacs KU208G são substituíveis por quaisquer outros projetados para a corrente e tensão necessárias no estado fechado de pelo menos 400 V. O autotransformador T1 foi convertido de um transformador de rede TS-180-2 (de uma velha TV preto e branco). No modo autotransformador, é capaz de alimentar uma carga com potência de até 1 kW [1]. O circuito magnético torcido deste transformador consiste em duas partes em forma de U, nas quais são colocadas armações com enrolamentos. Os enrolamentos, cujos números são indicados no diagrama sem golpes, são enrolados em um quadro, com golpes no outro. Se nos limitarmos à potência de saída de longo prazo do estabilizador 250 ... 300 W, os enrolamentos primários 1-2 e 1'-2', contendo 450 voltas de fio PEV-2 0,9, podem ser deixados inalterados. Nesse caso, todos os enrolamentos secundários do transformador são removidos e novos são enrolados em seu lugar com fio PEV-20,9 mm. Os enrolamentos 5-6 e 5'-6' devem conter 75, 7-8 e 7'-8' - 100, o enrolamento 9-10 - 35 voltas. Se for necessária mais energia, os enrolamentos primário e secundário devem ser rebobinados com um fio de seção transversal apropriadamente maior [1]. Todas as partes do regulador de tensão, com exceção do capacitor C1, diodo zener VD3, triacs VS1 - VS6 e autotransformador T1, são montadas em uma placa de circuito impresso de 60x110 mm feita de fibra de vidro dupla face. Um painel de 18 slots é instalado na placa para conectar o MK. Os Triacs VS1-VS6 são equipados com dissipadores de calor em forma de U com área de dissipação de 25 cm2, dobrados de uma folha de liga de alumínio com 2 mm de espessura. Juntamente com o diodo zener VD3, eles são montados em uma placa de fibra de vidro separada de 60x110 mm. Para reduzir o ruído de um autotransformador em funcionamento, é aconselhável colar quatro canecas de borracha macia com diâmetro de 15 e espessura de 5 mm na base da carcaça do estabilizador nos cantos. Uma vista da instalação do estabilizador é mostrada na fig. 4.
Os códigos de firmware MK são fornecidos na tabela.
Na programação, o byte de configuração indica: tipo de gerador - HS, WDT e timer de energização estão habilitados. O estabelecimento do estabilizador começa com a verificação da conexão correta dos enrolamentos do autotransformador. Para fazer isso, seu enrolamento primário 1-1' é conectado à rede e a tensão é medida entre os terminais 5-5' e 7-7'. Com uma tensão de rede de 220 V, o primeiro deles deve ser 33, o segundo - 44 V. Se, em vez disso, a tensão medida for 0, é necessário trocar as conclusões dos enrolamentos 5-6 ou 7-8, dependendo nesse caso, a tensão acabou sendo igual a 0. Em seguida, meça a tensão entre os pontos à e 5'. Se em vez de 187 253 V for obtido, as conclusões 5 e 5' são trocadas. Concluindo, verifica-se a tensão entre os pontos 1' e 7, que deve ser igual a 264 V. A tensão de 176 V indica que é necessário trocar as conclusões 7 e 7'. Para definir os limites de tensão nos quais o MK realiza a comutação correspondente dos taps do autotransformador, você precisará de uma fonte de tensão CA ajustável (LATR), um voltímetro CA com redistribuição de medição de 300 V e um osciloscópio. Ajuste o estabilizador na seguinte sequência. Tendo movido o motor do resistor trimmer R2 para a posição inferior (de acordo com o diagrama), conecte o estabilizador ao LA-TR e defina (de acordo com o voltímetro) uma tensão de 145 V. Em seguida, movendo lentamente o motor do resistor (também de acordo com o diagrama) e observando a forma na tela do osciloscópio tensão no diodo zener VD1, leve a amplitude do sinal a um nível aproximadamente 0,1 V maior que sua tensão de estabilização (o início do aparecimento de um área característica no oscilograma, ver Fig. 3). Em seguida, coloque o motor do resistor de ajuste R4 na posição inferior (conforme o diagrama) (neste caso, o LED vermelho HL3 deve acender) e mova-o lentamente para cima até que o LED verde HL2 comece a piscar. Em seguida, uma lâmpada incandescente com potência de 100 ... 200 W é conectada à saída do estabilizador. Ao aumentar suavemente a tensão na saída LATR para 290 V, os LEDs HL4-HL8 verificam os valores de tensão nos quais os taps do autotransformador comutam, bem como o limite superior da tensão de entrada na qual o MK desliga a carga. Também é desejável, se possível, verificar o desempenho do estabilizador com um fornecimento de longo prazo de uma tensão linear de 380 V à sua entrada (de uma rede trifásica). Os valores das tensões de comutação do tap do autotransformador podem ser alterados ajustando as constantes correspondentes no início do programa e recompilando o texto resultante usando o compilador de macro assembler MPASM [2]. É necessário fazer outras alterações no texto fonte relacionadas ao algoritmo do programa com extrema cautela, entendendo claramente o significado dessas alterações. A possível ocorrência de erros associados a tal ajuste pode levar, por exemplo, à ativação simultânea de um par de triacs de VS2-VS6 (modo de curto-circuito) ou à comutação da carga em uma tensão de rede de 250 V para o "+ 20%" torneira, etc. Literatura
Autor: S.Koryakov, Shakhty, região de Rostov
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