На рис. 13.1, а приведена схема однофазного преобразователя переменного напряжения, а на рис. 13.2, а диаграмма её напряжения на нагрузке. Изменение действующего значения напряжения на нагрузке осуществляется изменением угла управления α. Такое регулирование называется фазовым или импульсной модуляцией на основной частоте (ИМ-ОЧ). При этом даже при активной нагрузке ухудшается соsφ и коэффициент мощности. Такая схема применяется для регулирования активных и активно-индуктивных нагрузок: ламп накаливания, а также однофазных двигателей тока, например, в электроинструментах.
В схеме рис. 13.1, б применены запираемые тиристоры, что позволяет получить на нагрузке напряжение в соответствии с рис. 13.2, б или рис. 13.2, в. При этом соsφ может быть меньше или равен 1, но угол сдвига φ получается опережающим (фазовое регулирование с опережающим углом сдвига) или равным нулю. При таком регулировании печь сопротивления представляет для сети как бы емкостную нагрузку. В связи со сложностью быстрого прерывания тока в цепи с небольшой индуктивностью, схема усложняется за счет применения дополнительных элементов и поэтому не получила распространения.
Импульсная модуляция на высокой частоте (ИМ-ВЧ) (см. рис 13.2, г) позволяет получать при небольшом фильтре синусоидальную гладкую составляющую тока, потребляемого из сети, и напряжения на нагрузке при соsφ=1. Импульсная модуляция на низкой частоте (ИМ-НЧ) иллюстрируется рис.13.2, д. Уменьшение мощности, выделяемой в активной нагрузке, производится включением и выключением тиристоров в моменты перехода тока и напряжения через нуль. При питании активной нагрузки и ИМ-НЧ сохраняется соs(φ =1). Однако за счет возникающих гармоник с частотами ниже частоты напряжения сети, коэффициент мощности ухудшается. Коэффициент мощности одиночного регулятора не зависит от способа импульсной модуляции, а определяется глубиной регулирования. Импульсная модуляция на низкой частоте применима для инерционных объектов (например, печей сопротивления).
Рис.13.1. Регуляторы переменного напряжения на тиристорах: а, б -однофазные; в, г –в
первичной обмотке трансформатора и трансформатора с отпайками; д, е - трёхфазные
с активной нагрузкой и двигателем
Диапазон номинальных значений напряжений и токов электрических нагрузок чрезвычайно широк. Для согласования с напряжением сети применяются трансформаторы. При малых или очень больших напряжениях нагрузки для регулирования целесообразно включать тиристорные ключи на первичной стороне трансформатора, однако при этом возникает ряд проблем, связанных с насыщением трансформатора. Эти проблемы обостряются при ИМ - НЧ, когда включения трансформатора происходят очень часто. При включении трансформатора начальная магнитная индукция имеет определенные значения. В переходном процессе изменения индукции после включение с произвольным углом управления может быть превышено максимальное значение индукции установившегося цикла перемагничивания. Это вызывает насыщение трансформатора и резкое увеличение (выброс) тока намагничивания, который снижается до установившегося значения за десятки периодов.
Рис.13.2. Диаграммы напряжений при: (а, б, в - ИМ-ОЧс α>0,β>0, α = β), г - ИМ-ВЧ, д -ИМ-НЧ; многозонные ИМ-ОЧ(ж), ИМ-ВЧ(з), ИМ-НЧ(и)
Выбросы тока намагничивания могут в десятки раз превышать номинальный ток трансформатора. Введением определенного угла управления в первом полупериоде в начале каждого цикла включения можно практически устранить выбросы тока намагничивания. При этом диаграмма напряжения на нагрузке соответствует рис. 13.2, е. Качество напряжения на выходе тиристорного регулятора переменного напряжения и коэффициент мощности могут быть улучшены при применении многозонной импульсной модуляции. Такая модуляция может быть реализована в схеме рис. 13.1, г. При этом вид напряжения на нагрузке будет соответствовать диаграммам рис. 13.2, ж, з, и. Диаграмма рис. 13.2, з может быть реализована, если в схеме рис. 13.1, г заменить обычные тиристоры на запираемые. На рис. 13.1, д приведена схема трехфазного преобразователя переменного напряжения. Если нагрузка при этом имеет нулевой вывод, то процессы и диаграммы напряжений на нагрузке ничем не отличаются от процессов в однофазной схеме. Фазовое регулирование может быть применено для регулирования скорости асинхронного двигателя (рис. 13.1, д). Такое регулирование получило очень широкое применение в устройствах для ограничения пусковых токов асинхронных двигателей. В устройствах для плавного пуска асинхронных двигателей угол управления плавно уменьшается от начального значения до полного включения тиристоров. При этом пусковые токи снижаются в 2...3 раза.