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斩波式可变电阻器及其应用

关键词:斩波式可变电阻器 等效直流电阻 恒电流自动控制

时间:2007-11-13 15:34:00      来源:

斩波式可变电阻器是应用现代脉宽调制(PWM)技术对固定电阻进行斩波控制,从而实现电阻无级可调的新型变阻器。与传统的接触式变阻器相比,它不仅具有体积小、造价低、维护使用方便等优点,而且具有调节精度高,可以方便地实现恒电流自动控制的特点,是一种值得推广的高科技电子

1 前言
  
可变电阻器作为交直流电源的负载电阻和交直流电动机的起动、制动及调速电阻,应用十分广泛。但传统的接触式可变电阻器有许多的缺点。首先,它只能做到有级调节,因而很难实现精确调节和平稳控制。其次,要实现电阻自动调节,达到恒电流控制较困难,必须另外加装一套伺服装置,使其结构复杂,仍存在控制精度和平稳性不高的问题。再者,其制造控制复杂,体积庞大,耗费有色金属多,价格昂贵,因而其应用范围受到限制。斩波式可变电阻器采用现代脉宽调制(PWM)技术,对固定电阻(其制造简单,体积小,成本底)进行斩波控制,能很好地克服上述接触式可变电阻器的缺点,做到电阻无级调节和很方便地实现恒电流控制,调节平稳,精度高,具有很好的应用前景。

2 斩波式可变电阻器调节电阻的原理
  
图1是斩波式可变电阻器用作直流电源的可调负载电阻原理图。图中,ZB—斩波器,R0—固定电阻,E0、Ra—分别为直流电源的电动势和内阻,L—直流回路的电感。



图1 斩波式电阻原理图


设斩波器的斩波周期为T,导通时间为ton,并假定斩波器导通时正向压降为零,且导通和关断都是瞬时完成的。同时假定直流回路电感L足够大,在斩波器导通和关断时电流Id恒定不变,则斩波器两端电压的波形如图2所示。当ZB导通时ud=0;当ZB关断时,ud=Id R0,则平均电压为

Ud=(T-ton)IdR0/T=(1-ρ)Id R0=IdRe  (1)

式中占空因数ρ=ton/T……(2),

等效直流电阻Re=(1-ρ)R0……(3)




图2 斩波器电压波形图

可见改变斩波器的占空因数ρ,可实现对固定电阻R0的无级平滑调节。

当用交流电源时,可先将交流电源用二极管整流后再接上斩波式可变电阻器,如图3(a)、(b)、(c)所示。图中Udo为理想整流电压,Rn为整流器内阻。



(a)单相交流电源



(b)三相交流电源



(c)等效电路
图3 斩波式可变电阻器在交流电源中的应用



图4 斩波式可变电阻器的控制电路

4 斩波式可变电阻器的应用

4.1 用于交直流电源的可调负载电阻

以直流发电机负载为例,设发电机励磁电流和转速恒定不变,则感应电动势E0不变,则:
Id=E0/(Ra+Re)=E0/[Ra+(1-ρ)R0]  (4)

发电机的输出功率即等效电阻或固定电阻消耗的功率为:


当Re=Ra,即ρ=1-Ra/R0时,发电机输出功率最大,为:



发电机额定运行时的功率和电流分别为:


其值远小于最大功率Pmax和短路电流Idmax=E0/Ra。为了设备安全,通常允许发电机短时过载,设Idm=λIN,则



由此可以确定最大占空因数ρm:


这样就可以防止调节负载时电流过大或短路,这也是斩波式可变电阻器优于传统接触式可变电阻器的地方之一。

  
R0的大小可根据发电机的最小负载电流Idmin决定:


通常发电机外特性试验时Id的调节范围为0.25~1.2IN,由此可以决定R0和ρm。其中ρm是为保护斩波器功率元件对最小占空因数所做的限制。
  
例如实验室一台他励式直流发电机UN=230V,PN=2.2kW,IN=9.6A,Ra=2.5Ω,则由式(12)得R0=109Ω,其中取ρmin=0.05。额定运行及最大负载电流时的占空因素分别为ρn=0.78,ρm=0.82。

流过R0的电流平均值为(1-ρ)Id,其有效值为


,额定负载时:



上例中,ρN=0.78,则Iron=46.99%IN。一般ρN在0.75~0.8范围内,则Iron=0.45~0.5IN。

因此R0的功率定额

,远小于按额定电流确定的功率定额。而接触式可变电阻器在电阻减小电流增大时,电流仅通过剩下部分,但整个变阻器电阻丝的允许电流和功率必须按额定电流来考虑。当然也可以采用分段允许不同的电流定额,如上端允许电流小,下端允许电流大,但在制造工艺和使用上都会带来不便。斩波式可变电阻器的固定电阻R0之所以电流和功率定额小,是因为R0始终全部接入电路,电流大时流过R0的时间短,电流小时流过R0的时间较长,故R0的电流和功率变化不大。这也是斩波式可变电阻器的又一显著优点。
  
此外,在直流调速系统实验中,通常用他励式直流发电机作为电动机的负载,要研究直流电动机带恒转矩负载时的起动和制动特性,用普通手调接触式可变电阻器作为发电机的负载难于实现恒转矩负载。因为起制动时发电机的转速在变化,即使磁通恒定,其转矩


。但若采用斩波式可变电阻器,则R=Re=(1-ρ)R0,其值不是固定在RLN,而是可以自动调节,维持负载电流和转矩基本上为恒定值不变,如图5所示。其中①为发电机接固定电阻RLN在起动时的转矩持性;③为电动机电枢串固定电阻RSN在能耗制动时的转矩特性;②和④分别为接斩波可变电阻器时相应的转矩特性。



图5 起制动特性比较


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