РЕГЕНЕРАТОР ОДНОФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СЕТИ Российский патент 2020 года по МПК G05F1/00 


Регенератор сетевого питания с частотой 100Гц

При построении аудиосистемы я обратил внимание на интересный факт, мной и другими слушателями было замечено, что на качество звучания аппаратуры влияет время суток, а точнее поздно вечером и рано утром звучание заметно лучше чем днем. В чем причина?!

Думаю, что не секрет, что наша бытовая электрическая сеть (ЭС) оставляет желать лучшего. Так повелось, что главный параметр ЭС, который отслеживают работники электростанций и обслуживающего персонала, это ее частота колебаний 50Гц, а что касается чистоты питающего напряжения и стабильности напряжения в наших домах так тут дела никому нет. Хотя последнее утверждение немного спорное, так как есть ГОСТ 13109-97 и технический регламент на параметры электрической сети. Я на собственном опыте почувствовал отход от параметров установленных в ГОСТ по электропитанию, когда мой ЦАП отказывался стабильно работать и это понятно, так как напряжение в ЭС снижалось до 180В, это хорошо отслеживалось по снижению яркости свечения ламп накаливания в доме. Все дело в том, что я живу в частном доме и для меня не редкость, когда напряжение в сети падает до 20%. Еще один недостаток ЭС был в том, что частые сварочные и другие работы соседей тоже вносили свою лепту в «экологию» питания аппаратуры.

Частично решить эту проблему можно с помощью стабилизатора напряжения, но он не спасет от загрязненного питания, так как автотрансформатор в составе этих устройств не способен работать в качестве фильтра НЧ. Мои поиски необходимых устройств не дали желаемого результата, так как тема посвященная чистоте ЭС освещается крайне редко и на форумах по радиоэлектронике тоже мало информации. В продаже есть регенераторы питания, но они либо сильно дороги или часто сделаны на основе ИБП. Достоинство данных изделий перекрывается их недостатком, а именно большим шумом импульсного преобразователя и сильный отход от формы синусоиды выходного сигнала.

После некоторых размышлений, я решил разработать собственный регенератор сетевого питания (РСП), удовлетворяющий моим требованиям, а именно:

  1. Стабильность напряжения питания 230В c точностью не хуже 2% (при нагрузке 40Вт)
  2. Выходная мощность РСП 60-100Вт (вполне достаточно для питания источника звука)
  3. Коэффициент гармонических составляющих на активной нагрузке 40Вт не более 0,5% (в то время как в бытовой ЭС этот параметр примерно равен 5%)
  4. Стабильность частоты питающего напряжения (частота задающего генератора 100Гц) ± 0,5%
  5. Гальваническая развязка с ЭС
  6. Низкий акустический уровень шума.

Сразу поясню, что 100Гц частота была выбрана неслучайно. Определяющим фактором послужил оптимальный режим работы нагрузки РСП на этой частоте, а именно звуковоспроизводящая аппаратура или ЦАП как в моем варианте.

Дело в том, что при повышения частоты напряжения питания силовых трансформаторов подключаемых устройств к РСП происходит улучшение режима их работы, а именно:

  1. Облегчается работа питающего трансформатора
  2. Снижается магнитная индукция трансформатора, что приводит к снижению рассеивания магнитного поля, а также отсутствия постоянного напряжения насыщения железа трансформатора в питающем устройстве и как следствие создается более благоприятное условие его работы.

Все это способствует к улучшению звуковых свойств питаемой аппаратуры, но об этом ниже. Еще одно преимущество частоты питания 100Гц это улучшение работы выпрямителя питающего устройства, так как после диодного моста пульсирующие напряжения получается в 2 раза чаще чем при питании непосредственно от бытовой сети 220В 50Гц и оно равно 200Гц. А из теории известно, что при увеличении частоты пульсации напряжения емкость сглаживающего фильтра после него можно уменьшить так как конденсатору легче сгладить пульсации выпрямленного напряжения большей частоты. Кстати этим обусловлено меньшая емкость сглаживающего конденсатора в импульсных блоках питания.

Ниже приведена схема для измерения пульсаций рис. 1 и осциллограммы, которые показывают процесс работы диодного моста с отключенный конденсатором C1 с частотой питания 50Гц рис. 2а и с частотой питания 100Гц рис. 2б.

Схема для измерения пульсаций

Процесс работы диодного моста без сглаживающего конденсатора C1 c частотой питания 50Гц

Процесс работы диодного моста без сглаживающего конденсатора C1 c частотой питания 100Гц

Ниже приведены осциллограммы работы схемы измерения пульсаций на нагрузке с конденсатором C1при напряжении питания с частотой 50Гц рис 3а, а также 100Гц рис. 3б.

Напряжение пульсации на нагрузке при питании схемы напряжением с частотой 50Гц

Напряжение пульсации на нагрузке при питании схемы напряжением с частотой 100Гц

Из рис. 3а и рис.3б, видно, что при питании фильтра с нагрузкой частотой в два раза выше, пульсации снижаются в 1,65раза Пульсации при 100Гц получаются 3,34V/2,02V = 1,65 раза меньше чем при питании от ЭС 50Гц.

Вернемся непосредственно к схеме РСП, в качестве генератора синусоидального напряжения я использовал мост Вина, а в качестве УМ применил схема на полевых транзисторах с выходной мощностью порядка 100Вт этого вполне достаточно для моих нужд. В блоке питания РСП применен трансформатор 250Вт и диодный мост с блоком фильтра общей емкостью 39600мкф, что является более чем достаточно для данного решения. Схема блока питания представлена на рис.4

Принцип работы РСП следующий: При включении питания РСП происходит заряд емкостей БП и становление рабочего режима генератора синусоидальных колебаний рис.6, в это время работает soft-start создавая задержку подачи входного сигнала с генератора на УМ с помощью контактов реле замыкающих цепь выхода генератора и входа УМ.

Время работы схемы soft-start рис. 5, задается с помощью цепи R2, С4 и рассчитывается по формуле r=R2(Mom)xC4(mkF)=t(секунд).

По истечении времени установленного в схеме soft-start 2секунды в моем варианте, выходные усиленные колебания в УМ с частотой 100Гц подаются на повышающий трансформатор Тр1.

Намоточные данные повышающего трансформатора Тр1 следующие: Магнитопровод марки ОЛ55/100-40. Габаритная мощность магнитопровода Pгаб. = 227Вт Число витков в первичной обмотке w1=30витков, провод ПЭВ2 1,2мм Число витков во вторичной обмотке w2=600витков, провод ПЭВ2 0,51мм

Рассмотрим работу генератора синусоидальных колебаний. Схема генератора представлена на рис. 6. Данная схема представляет собой генератор синусоидального напряжения. Цепь R1, C1 и R2, C2 задает частоту колебаний, с указанными элементами на схеме эта частота равна 50Гц, для лучшей симметрии эти элементы должны быть достаточно точные, не хуже ±1%. Резистор R19 необходим для регулировки амплитуды выходного сигнала.

После генератора синуса следует УМ для РСП, его схема представлена на рис. 7

Усилитель мощности для РСП

Как видно из схемы, в состав УМ входит микросхема DA1, это ОУ от которого особенно зависит уровень искажений всего усилителя, по этой причине в данном схеме желательно ставить ОУ с низкими шумами, например NE5534 с уровнем шума 5nV√Hz. Транзисторы VT1 и VT2 необходимы для предварительной раскачки сигнала по току необходимого для выходных транзисторов VT3, VT4. Ток холостого хода задается подстроечным резистором R5, в моем варианте он равен 20mA. Вообще в качестве УМ для этих целей идеально подходит УМ в классе «D». Его неоспоримые преимущества, а именно малое рассеивание энергии на тепло (высокий КПД) и как следствие меньшие масса и габариты делают его предпочтительнее в этой схеме. Но у таких схем есть недостатки, это дополнительная сложность намотки трансформаторов и настройки усилительного каскада. Поэтому мной было решено сделать УМ по классической схеме с минимальным током покоя для данной схемы, порядка 20мА.

Ниже приведена форма сетевого напряжения в ЭС рис.8а и после РСП рис.8б на активной нагрузке 40Вт, а также спектрограммы гармонических искажений непосредственно в ЭС рис. 9а и после РСП рис.9б.

Форма напряжения в бытовой ЭС слева и его спектрограмма справа

Форма сетевого напряжения на выходе трансформатора РСП слева и его спектрограмма справа

Из осциллограмм и спектрограмм видно, что РСП обладает заметно лучшим качеством синусоидального напряжения. Еще один плюс данного устройства как было описано выше, отсутствие подмагничивания на питающей стороне, так как согласующий трансформатор не способен пропустить постоянную составляющую. Гальваническая развязка выходным трансформатором также улучшает ситуацию питания аппаратуры. Дело в том, что многие пренебрегают фазировкой питающих трансформаторов аудиоаппаратуры. По моему мнению, фазировать необходимо каждый силовой трансформатор, особенно в аппаратуре без заземления, так как при неправильной фазировке силовых трансформаторов, например УМ и источника звука (ЦАП, проигрыватель) происходит перетекание токов по оплетке межблочного кабеля с частотой 50Гц. Это легко проверить с помощью цифрового мультиметра хорошей чувствительности, для этого необходимо замерить переменное напряжение на корпусе включенного прибора относительно заземления на каждом аппарате отдельно, предварительно отключив от него все соединительные провода, кроме питающих.

При неправильной фазировке силовых трансформаторов, звучание аппаратуры ухудшается. Многие солидные производители аудиоаппаратуры в своих устройствах используют индикаторы правильного включения фазы.

Фотографии РСП в сборе

Заключение

Регенераторы сетевого питания действительно улучшают звучание аудиосистемы, так как качественное питания источника звука (ЦАП, проигрывателя) очень сильно сказывается на его работу, ведь именно источник звука имеет наибольшее разрешение во всей системе, а этот параметр сложно реализуем с плохим питанием. Также я хотел отметить, что данное устройство можно использовать и для других целей, например как стабилизатор переменного напряжения. Один мой знакомый использовал схемотехнику РСП для питания двигателя переменного тока в проигрывателе виниловых пластинок, так как в его двигателе частота вращения ротора прямо зависела от частоты питающего напряжения и он подстраивал точные обороты двигателя с помощью перестройки частоты генератора синусоидального напряжения.

Смирнов Алексей Николаевич (Alexhase), e-mail

Список радиоэлементов

ОбозначениеТипНоминалКоличествоПримечаниеМагазинМой блокнот
Рис. 1 Схема для измерения пульсаций
VD1Диодный мост1Поиск в AliexpressВ блокнот
С1Электролитический конденсатор47 мкФ1Поиск в AliexpressВ блокнот
R1Резистор75 Ом1Поиск в AliexpressВ блокнот
Генератор1Поиск в AliexpressВ блокнот
Осциллограф1Поиск в AliexpressВ блокнот
S1Выключатель1Поиск в AliexpressВ блокнот
Рис. 4 Блок питания РСП
VR1Линейный регулятор LM78151Поиск в AliexpressВ блокнот
VR2Линейный регулятор LM79151Поиск в AliexpressВ блокнот
VD1-VD4Диод20ETS084Поиск в AliexpressВ блокнот
VD1-VD4Выпрямительный диод DF08MA8Поиск в AliexpressВ блокнот
С1-С4Электролитический конденсатор2200 мкФ4Поиск в AliexpressВ блокнот
С5, С8Конденсатор100 нФ2Поиск в AliexpressВ блокнот
С6, С7Электролитический конденсатор470 мкФ2Поиск в AliexpressВ блокнот
С9-С16Электролитический конденсатор4700 мкФ8Поиск в AliexpressВ блокнот
С17, С18Электролитический конденсатор1000 мкФ2Поиск в AliexpressВ блокнот
С19, С20Конденсатор1 мкФ2Поиск в AliexpressВ блокнот
R1, R2, R5, R6Резистор 10 Ом4Поиск в AliexpressВ блокнот
R3, R4, R7, R8Резистор 100 Ом4Поиск в AliexpressВ блокнот
R9-R12Резистор 0.5 Ом45 ВтПоиск в AliexpressВ блокнот
T1Трансформатор250 Вт1Поиск в AliexpressВ блокнот
T2Трансформатор20 Вт1Поиск в AliexpressВ блокнот
S1Выключатель1Поиск в AliexpressВ блокнот
Вилка сетевая1Поиск в AliexpressВ блокнот
XT1, XT2Разъем2Поиск в AliexpressВ блокнот
РазъемGen Power1Поиск в AliexpressВ блокнот
Рис. 5 Схема Soft-start
D1Программируемый таймер и осциллятор NE5551Поиск в AliexpressВ блокнот
D1МикросхемаMC14069U1Поиск в AliexpressВ блокнот
VR1Линейный регулятор LM78121Поиск в AliexpressВ блокнот
VT1Биполярный транзистор КТ972А1Поиск в AliexpressВ блокнот
VD1-VD4Диодный мост DF08S1Поиск в AliexpressВ блокнот
VD5Выпрямительный диод 1N40071Поиск в AliexpressВ блокнот
С1Электролитический конденсатор2200 мкФ1Поиск в AliexpressВ блокнот
С2Электролитический конденсатор470 мкФ1Поиск в AliexpressВ блокнот
С3, С5, С6Конденсатор100 нФ3Поиск в AliexpressВ блокнот
С4, С7Электролитический конденсатор47 мкФ2Поиск в AliexpressВ блокнот
R1Резистор 330 Ом1подборПоиск в AliexpressВ блокнот
R2Переменный резистор200 кОм1Поиск в AliexpressВ блокнот
R3Резистор 100 Ом1Поиск в AliexpressВ блокнот
R4, R5Резистор 10 кОм2Поиск в AliexpressВ блокнот
R6Резистор 220 Ом1Поиск в AliexpressВ блокнот
Rel1Реле1Поиск в AliexpressВ блокнот
Рис. 6 Генератор синусоидальных колебаний
D1Операционный усилитель TL0721Поиск в AliexpressВ блокнот
VT1MOSFET-транзистор BF245A1Поиск в AliexpressВ блокнот
VD1, VD2Диод2Поиск в AliexpressВ блокнот
VD3Стабилитрон1N7501Поиск в AliexpressВ блокнот
С1-С3Конденсатор0.22 мкФ3Поиск в AliexpressВ блокнот
С4Электролитический конденсатор2.2 мкФ1Поиск в AliexpressВ блокнот
С5Конденсатор1 мкФ1Поиск в AliexpressВ блокнот
С6, С7Электролитический конденсатор220 мкФ 16 В2Поиск в AliexpressВ блокнот
С8, С9Конденсатор0.1 мкФ2Поиск в AliexpressВ блокнот
R1, R2, R7Резистор 5.1 кОм3Поиск в AliexpressВ блокнот
R3Резистор 4.7 кОм1Поиск в AliexpressВ блокнот
R4, R11Резистор 2 кОм2Поиск в AliexpressВ блокнот
R5Резистор 62 кОм1Поиск в AliexpressВ блокнот
R6Резистор 8.2 кОм1Поиск в AliexpressВ блокнот
R8Резистор 36 кОм1Поиск в AliexpressВ блокнот
R9Резистор 1 МОм1Поиск в AliexpressВ блокнот
R10Резистор 68 кОм1Поиск в AliexpressВ блокнот
R12, R13Резистор 100 Ом2Поиск в AliexpressВ блокнот
R19Переменный резистор22 кОм1Поиск в AliexpressВ блокнот
РазъемGen signal1Поиск в AliexpressВ блокнот
РазъемGen power1Поиск в AliexpressВ блокнот
Рис.7 Усилитель мощности для РСП
DA1Операционный усилитель TL0711Поиск в AliexpressВ блокнот
VR1Линейный регулятор LM78121Поиск в AliexpressВ блокнот
VR2Линейный регулятор LM79121Поиск в AliexpressВ блокнот
VT1Биполярный транзистор КТ815А1Поиск в AliexpressВ блокнот
VT2Биполярный транзистор КТ816А1Поиск в AliexpressВ блокнот
VT3MOSFET-транзистор IRFP92401Поиск в AliexpressВ блокнот
VT4MOSFET-транзистор IRFP2401Поиск в AliexpressВ блокнот
VD3, VD4Выпрямительный диод 1N41482Поиск в AliexpressВ блокнот
С1Конденсатор2.2 мкФ1Поиск в AliexpressВ блокнот
С2Конденсатор100 пФ1Поиск в AliexpressВ блокнот
С3, С5, С9Конденсатор100 нФ3Поиск в AliexpressВ блокнот
С4, С6, С10, С11Электролитический конденсатор470 мкФ4Поиск в AliexpressВ блокнот
С7, С8Конденсатор1 мкФ2Поиск в AliexpressВ блокнот
R1Резистор 47 кОм1Поиск в AliexpressВ блокнот
R2Резистор 1 кОм1Поиск в AliexpressВ блокнот
R3, R4Резистор 2 кОм2Поиск в AliexpressВ блокнот
R5Подстроечный резистор5 кОм1Поиск в AliexpressВ блокнот
R6, R7Резистор 22 кОм2Поиск в AliexpressВ блокнот
R9, R10Резистор 220 Ом20.5 ВтПоиск в AliexpressВ блокнот
R11, R12Резистор 33 Ом20.5 ВтПоиск в AliexpressВ блокнот
R13, R14Резистор 820 Ом2Поиск в AliexpressВ блокнот
R15Резистор 10 Ом1Поиск в AliexpressВ блокнот
R16, R17Резистор 39 Ом2Поиск в AliexpressВ блокнот
R18, R19Резистор 0.5 Ом210 ВтПоиск в AliexpressВ блокнот
R20Резистор 12 кОм1Поиск в AliexpressВ блокнот
F1Предохранитель4 А1Поиск в AliexpressВ блокнот
TrТрансформатор1Поиск в AliexpressВ блокнот
XTВилка сетевая1Поиск в AliexpressВ блокнот
XT1, XT2Разъем2Поиск в AliexpressВ блокнот
Добавить все

Прикрепленные файлы:

  • regenerator.rar (73 Кб)

Теги:

  • Sprint-Layout

Как определяется мощность ДГ в кВт?

Итак, теперь нам понятно, что мощность ДГ – не такая простая величина, как кажется. Но очень часто об этой особенности не знают продавцы и владельцы агрегатов, сдающие их в аренду. Консультируя покупателей/арендаторов, они попросту выдают кВА за кВт. И тогда получается, что электростанция реальной мощностью 120 кВт «превращается» в агрегат с мощностью 150 кВт. При этом недобросовестные компании не забывают выставлять клиентам более высокий счет за якобы более мощную технику, а при эксплуатации это выливается в проблемы, связанные с перебоями, а иногда и поломкой дорогостоящего оборудования. Причина – подключение потребителей с большей суммарной мощностью, чем может выдавать данный агрегат.

Если у вас возникнут сомнения по поводу достоверности сведений о том, сколько реально должен выдавать генератор при нагрузке, вы можете сами легко ее определить. Для этого вам необходимо знать всего две цифры, указанные на информационной табличке:

  • показатель полной мощности в кВА;
  • коэффициент, обозначающийся φ (разница фаз между напряжением и силой электротока).

Для среднего по мощности ДГ коэффициент cos φ, как правило, равняется значению 0,8. Путем умножения активной составляющей мощности в кВт на показатель полной мощности вы получите показатель активной мощности в кВт. Так, получаем активную мощность ДГ на 150 кВА = 120 кВт.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: