Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М., «Энергия», 1977.

При широтно-импульсном управлении регулируется средняя мощность нагрузки. Это обеспечивается за счёт изменения числа периодов Т_с переменного напряжения сети, подводимых к нагрузке за некоторый период времени Т (Т» Т_с). Диаграмма напряжений для этого случая показана на Рис.12.2а. На интервале t_вкл, когда электронный ключ замкнут и, следовательно проводят ток тиристоры в нагрузке выделяется энергия А= t_вкл(U_c²/R_н) = t_вкл Р_макс, где Р_макс= U_c²/R_н.

Средняя за интервал времени Т мощность в нагрузке составит величину

Р_{н ср}=Р_вых= U_c²/R_н t_вкл/Т = Р_максg, (12-1)

где g = t_вкл/Т является величиной обратной скважности импульсов мощности или коэффициентом заполнения интервала Т. Чем меньше g, тем меньше подводимая к нагрузке средняя мощность. Такой достаточно грубый способ регулирования применяется в электропечах сопротивлений для регулирования и поддерживания заданной средней температуры по сигналу термодатчика.

Рис12.2 Диаграммы напряжений на выходе регуляторов: а) с широтно-импульсным, б),в), г) с фазовым, д) со ступенчатым и е), ж) с фазово-ступенчатым способами регулирования.

При фазовом способе регулирования управляющее воздействие формирует выходное напряжение в каждый из полупериодов напряжения сети. По принципу действия он аналогичен способу регулирования, используемому в схеме управляемого выпрямителя. Как в выпрямителе, так и в регуляторе напряжения при этом способе используется лишь определённая часть каждого из проводящих полупериодов сети, определяемая углом регулирования a. Для нагрузки в виде активного сопротивления R_н возможны (в принципе) три

способа фазового регулирования:

- с отстающим углом a (Рис12.2б),

- с опережающим углом a (Рис.12.2в) и

- двустороннее фазовое регулирование (Рис.12.2г).

Очевидно, что зависимости действующего значения напряжения на нагрузке R_н с отстающим или опережающим углами регулирования a от величины этого угла т.е. регулировочные характеристики будут одинаковыми.

Из соотношений

после интегрирования, следует

, (12-2)

так как [2].

При двустороннем фазовом регулировании зависимость действующего значения напряжения от угла a для нагрузки в виде активного сопротивления R_н находится с помощью выражения

,

из которого после интегрирования следует

(12-3)

Регулировочные характеристики, построенные по (12-2) и (12-3), приведены на Рис.12-3. Из диаграмм на Рис.12.2 также следует, что регулирование величины выходного напряжения при фазовом способе сопровождается искажением его синусоидальной формы. При одностороннем регулировании ухудшается ещё и коэффициент мощности, так как возникает отстающий либо опережающий фазовый сдвиг между напряжением и током в питающей сети.

При двустороннем и симметричном фазовом регулировании (Рис.12.2г) сдвиг тока относительно напряжения сети исключается, но с уменьшением выходного напряжения уменьшается и величина коэффициента искажения n, а это приводит к уменьшению коэффициента мощности, ибо c = n.

а) б)

Рис.12.3 Регулировочные характеристики регуляторов переменного напряжения а) с активной и б) активно-индуктивной нагрузками.

Рис.12.4 Работа регулятора напряжения на активно-индуктивную нагрузку. а)-силовая схема;

б) - напряжение и ток сети; в) - напряжение на нагрузке; Д – в качестве активно-индуктивной нагрузки показан коллекторный двигатель переменного тока с сериесной обмоткой возбуждения (электроинструмент, швейные машины).

Вследствие отмеченного недостатка фазовые методы используются в регуляторах с ограниченным либо с кратковременными изменениями угла a. Это могут быть например, стабилизаторы действующего значения напряжения в сетях освещения, либо устройства для плавного увеличения напряжения с целью ограничения пусковых токов в тех же сетях. Такие регуляторы существенно экономят электроэнергию и многократно продлевают срок службы источников света.

Фазовый метод находит применение и в пускорегулирующих устройствах коллекторных машин переменного тока (электроинструмент, швейные машины и др.). Нагрузка в этом случае носит активно-индуктивный характер, а графики токов и напряжений соответствуют представленным на Рис.12.4.

Особенность работы регулятора на активно-индуктивную нагрузку заключается в том, что ток нагрузки при максимальном выходном напряжении уже имеет отстающий фазовый сдвиг относительно напряжения сети на угол j=arctgL_нw/R_н. Регулирование (уменьшение) напряжения в такой нагрузке возможно лишь при значениях a > j. Действующее значение напряжения на выходе регулятора находим из соотношения

В относительных единицах

, (12-4)

где l - длительность протекания тока через тиристор, зависящая от величины a и отношения L_н/R_н. При a=p ток в цепи нагрузки будет равен нулю.

Если уменьшать угол управления от значения a=p, то продолжительность импульсов тока нагрузки будет увеличиваться и при значении a= j= arktg(wL_н/R_н) паузы между разнополярными импульсами в кривой тока, а значит и напряжения на нагрузке исчезают. Ток и напряжение приобретают синусоидальную форму. Дальнейшее уменьшение угла a при длительности управляющих импульсов тиристоров больше угла j ничего изменить в форме выходного напряжения регулятора не может. Это означает, что при работе регулятора с фазовым принципом регулирования на активно- индуктивную нагрузку, в его регулировочной характеристике возникает «мёртвая» зона регулирования.

Графики зависимости выходного напряжения от угла a при активно-индуктивной нагрузке и различных значениях j показаны на Рис.12.3б.

Система управления должна формировать управляющие импульсы для тиристоров длительностью больше j. В противном случае при a=0 к моменту снижения тока нагрузки до нуля отпирающий импульс закончится и очередной тиристор регулятора не включится.

При ступенчатом методе регулирования переменного напряжения вторичная обмотка трансформатора секционируется. На Рис12.1д для примера показаны две секции (часть вторичной обмотки U_cb и полная вторичная обмотка U_ac). Выводы вторичной обмотки a и b через встречно-параллельные тиристоры связаны с нагрузкой. С помощью управляющих импульсов можно без разрыва цепи подключать нагрузку к различным секциям вторичной обмотки трансформатора и тем самым ступенчато регулировать величину выходного напряжения регулятора. Кривые выходного напряжения U_н2, U_н1 показаны на графиках Рис.12.2г. Несмотря на сложность конструкции трансформатора и необходимость в большом количестве тиристоров или симисторов, такие регуляторы нашли применение в электрооборудовании подстанций на ж/д транспорте и в металлургическом производстве. Переключение отводов трансформатора без механического разрыва и отсутствие искажений в кривой потребляемого тока являются существенными достоинствами такого способа регулирования переменного напряжения.

Фазоступенчатый способ регулирования переменного напряжения совмещает ступенчатый и фазовый методы регулирования. Силовая схема регулятора такая же как и при ступенчатом методе. При большем числе секций вторичной обмотки трансформатора возможно трёх-, четырёх- и многоступенчатое фазовое регулирование. Добавление фазового регулирования к ступенчатому даёт возможность (при меньших искажениях потребляемого тока) плавно изменять в широком диапазоне действующее значение напряжения на нагрузке, сохраняя более высоким коэффициент мощности регулятора.

Для двухступенчатого регулирования с плавным регулированием напряжения на второй ступени отпирающие импульсы симистора VS2 секции с наименьшим вторичным напряжением подаются в моменты перехода напряжения питания через нуль. Отпирание симистора VS1 в этот же полупериод производят с запаздыванием на угол a. Форма выходного напряжения для этого случая соответствует показанной на Рис.12.2е, ж. Если в процессе регулирования угол отпирания симистора VS1 также становится равным нулю, то будет открываться только симистор VS1 так как VS2 оказывается под обратным напряжением. Регулирование напряжения на первой ступени (с минимальным напряжением) осуществляется с помощью симистора VS2 как при фазовом методе. На симистор VS1 отпирающие импульсы не подаются и он остаётся запертым.

За счёт добавления напряжения второй ступени трансформатора в режиме фазового регулирования обеспечивается меньшая величина искажения синусоидального напряжения и более высокий коэффициент мощности регулятора.

12.2 ТРЁХФАЗНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Схема такого регулятора получается, например, простым объединением трёх однофазных регуляторов Рис.12.5.

Рис.12.5 Трёхфазный тиристорный регулятор напряжения (ТР) в схеме устройства плавного пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Возможны и другие схемные решения, но применение трёх однофазных регуляторов обеспечивает при отсутствии нулевого провода наилучшее качество выходного фазного напряжения. По этой причине такая схема нашла применение в устройствах плавного пуска электродвигателей переменного тока (асинхронных с к.з. ротором и синхронных с пусковой к.з. обмоткой).

Устройства плавного пуска защищают электродвигатели от больших механических (ударных) нагрузок в моменты пуска, а питающую сеть от понижения напряжения под влиянием пусковых токов. Устройства плавного пуска выпускаются серийно для двигателей с напряжением 0,4; 6 и 10 киловольт.

Система управления для трёхфазного регулятора напряжения выполняется также как и для нереверсивной трёхфазной мостовой схемы УВ с диапазоном регулирования угла α_min< α < α_max. Плавность регулируется за счёт изменения темпа снижения угла α с помощью «задатчика интенсивности». Так как устройства плавного пуска используются кратковременно и после окончания пуска тиристоры шунтируются контактором (Рис.12.5), то энергетические показатели их не имеют большого значения. Силовой блок их также выполняется из расчёта кратковременности режима работы. Шунтирующий контактор (ШК) эксплуатируется в облегчённых условиях из-за отсутствия пусковых токов. Этим достигается высокая надёжность работы всего оборудования.

К сожалению, пусковые свойства трёхфазных регуляторов невысокие, так как определяются характеристикой двигателя, которую они искажают за счёт уменьшения выходного напряжения (Рис12.6), поэтому для механизмов с большим начальным (пусковым) моментом они непригодны. Их используют главным образом для пуска насосов, компрессоров с вентиляторной характеристикой момента и в механизмах, где возможен пуск двигателя на холостом ходу.

Трёхфазные регуляторы напряжения используются и для регулирования мощности в печах с нагревательными элементами в виде активных сопротивлений. Для таких потребителей возможно применение схем с меньшим количеством тиристоров, если доступны все шесть концов трёхфазной нагрузки (Рис.12.7),.

Рис.12.6 Механические характеристики двигателей при номинальном и пониженном питающем напряжениях.

Рис.12.7 Возможные варианты схем трёхфазных регуляторов напряжения с меньшим количеством тиристоров.

Последняя из трёх схем на Рис.12.7 обеспечивает регулирование токов нагрузки при использовании в цепи выпрямителя запираемого тиристора.

Контрольные вопросы и задачи.

1. Какие Вы знаете способы регулирования напряжения в цепи переменного тока?

2. Чем отличается фазовый способ от широтно-импульсного?

3. От какого параметра нагрузки зависит область фазового регулирования переменного напряжения?

4. Что такое фазоступенчатый метод регулирования переменного напряжения?