Ferroresonante Spannungsstabilisatoren – Funktionsprinzip
Der Stabilisator, bei dem an den Anschlüssen der nichtlinearen Drossel eine stabilisierte Spannung erzeugt wird, ist der einfachste ferromagnetische Stabilisator. Sein Hauptnachteil ist der niedrige Leistungsfaktor. Außerdem sind bei hohen Strömen im Stromkreis die Netzdrosseln sehr groß.
Um Gewicht und Größe zu reduzieren, werden ferromagnetische Spannungsstabilisatoren mit einem kombinierten Magnetsystem hergestellt und zur Erhöhung des Leistungsfaktors wird entsprechend dem Stromschwingkreis ein Kondensator eingebaut. Ein solcher Stabilisator wird Ferroresonant genannt.
Ferroresonante Spannungsstabilisatoren ähneln strukturell herkömmlichen Transformatoren (Abb. 1, a). Die Primärwicklung w1, an der die Eingangsspannung Uin anliegt, liegt auf dem Abschnitt 2 des Magnetkreises, der einen großen Querschnitt aufweist, so dass sich ein Teil des Magnetkreises in einem ungesättigten Zustand befindet. Eine Spannung Uin erzeugt einen magnetischen Fluss F2.
Reis. 1. Schematische Darstellung eines ferroresonanten Spannungsstabilisators: a – Haupt; b – Auswechslungen
Die Sekundärwicklung w2, an deren Anschlüssen die Ausgangsspannung Uout induziert wird und an die die Last angeschlossen ist, befindet sich im Abschnitt 3 des Magnetkreises, der einen kleineren Querschnitt hat und sich im gesättigten Zustand befindet. Daher ändert sich bei Abweichungen der Spannung Uin und des magnetischen Flusses F2 der Wert des magnetischen Flusses F3 im Abschnitt 3 nahezu nicht, ee ändert sich nicht. usw. v. Sekundärwicklung und Uout. Wenn der Fluss F2 zunimmt, wird der Teil davon, der nicht durch Abschnitt 3 gelangen kann, durch den magnetischen Nebenschluss 1 (F1) geschlossen.
Der magnetische Fluss F2 bei einer sinusförmigen Spannung Uin ist sinusförmig. Wenn sich der Momentanwert des Flusses F2 der Amplitude nähert, geht Abschnitt 3 in den Sättigungsmodus über, der Fluss F3 hört auf zu steigen und der Fluss F1 erscheint. Somit schließt der Fluss durch den magnetischen Shunt 1 nur in den Momenten, in denen der Fluss F2 nahe am Amplitudenwert liegt. Dadurch wird der Fluss F3 nicht sinusförmig, auch die Spannung Uout wird nicht sinusförmig, die dritte Harmonische kommt darin deutlich zum Ausdruck.
Im Ersatzschaltbild (Abb. 1, b) bilden die parallel geschaltete Induktivität L2 des nichtlinearen Elements (Sekundärwicklung) und die Kapazität C einen Ferroresonanzkreis mit den in Abb. gezeigten Eigenschaften. 2. Wie aus dem Ersatzschaltbild ersichtlich ist, sind die Ströme in den Zweigen proportional zur Spannung Uin. Die Kurven 3 (Zweig L2) und 1 (Zweig C) liegen in unterschiedlichen Quadranten, da die Ströme in Induktivität und Kapazität gegenphasig sind. Charakteristik 2 des Resonanzkreises wird durch algebraische Summierung der Ströme in L2 und C bei gleichen Spannungswerten Uout aufgebaut.
Wie aus den Eigenschaften des Resonanzkreises hervorgeht, ermöglicht die Verwendung eines Kondensators den Erhalt einer stabilen Spannung bei niedrigen Magnetisierungsströmen, d.h. bei niedrigerer Spannung Uin.
Darüber hinaus arbeitet der Regler mit einem Kondensator mit einem hohen Leistungsfaktor. Der Stabilisierungsfaktor hängt vom Neigungswinkel des horizontalen Teils der Kurve 2 zur Abszissenachse ab. Da dieser Abschnitt einen erheblichen Neigungswinkel aufweist, ist es ohne zusätzliche Geräte nicht möglich, einen großen Stabilisierungsfaktor zu erreichen.
Reis. 2. Eigenschaften eines nichtlinearen Elements eines ferroresonanten Spannungsstabilisators
Ein solches zusätzliches Gerät ist die Kompensationsspule wk (Abb. 3), die sich zusammen mit der Primärspule im ungesättigten Abschnitt 1 des Magnetkreises befindet. Wenn Uin und F zunehmen, nimmt die EMK zu. usw. V. Kompensationsspule. Es ist in Reihe mit der Sekundärwicklung geschaltet, aber so z. usw. c. die Kompensationsspule hatte die entgegengesetzte Phase e. usw. V. Sekundärwicklung. Steigt Uin, dann nimmt die Emission leicht zu. usw. v. Sekundärwicklung. Spannung Uout, die durch die Differenz in e bestimmt wird. usw. c. die Sekundär- und Ausgleichswicklungen werden aufgrund der Erhöhung von e konstant gehalten. usw. V. Kompensationsspule.
Reis. 3. Schema eines ferroresonanten Spannungsstabilisators mit Kompensationsspule
Die Wicklung w3 soll die Spannung am Kondensator erhöhen, wodurch die kapazitive Komponente des Stroms, der Stabilisierungsfaktor und der Leistungsfaktor erhöht werden.
Die Nachteile ferroresonanter Spannungsstabilisatoren sind die nicht sinusförmige Ausgangsspannung und deren Frequenzabhängigkeit.
Die Industrie produziert ferroresonante Spannungsstabilisatoren mit einer Leistung von 100 W bis 8 kW und einem Stabilisierungsfaktor von 20–30. Darüber hinaus werden Ferroresonanzstabilisatoren ohne magnetischen Shunt hergestellt. Der magnetische Fluss F3 in ihnen ist für Luft geschlossen, das heißt, es handelt sich um einen Streufluss. Dies ermöglicht eine Gewichtsreduzierung des Stabilisators, verengt jedoch den Arbeitsbereich auf 10 % des Nennwertes Uin bei einem Stabilisierungsfaktor kc von fünf.