В електротехніці досить часто доводиться зустрічатися з завданнями регулювання змінної напруги, струму або потужності. Наприклад, для регулювання частоти обертання валу колекторного двигуна необхідно регулювати напругу на його затискачах, для управління температурою всередині сушильної камери потрібно регулювати потужність, що виділяється в нагрівальних елементах, для досягнення плавного ненаголошеного пуску асинхронного двигуна - обмежувати його пусковий струм. Поширеним рішенням є пристрій, який називається тиристорний регулятор.
Пристрій і принцип дії однофазного тиристорного регулятора напруги
Рис.1 Простий однофазний тиристорний регулятор з активним навантаженням
Сам тиристорний регулятор обведений блакитними лініями і включає в себе тиристори VS1-VS2 і систему імпульсно-фазового управління (далі - СІФУ). Тиристори VS1-VS2 - напівпровідникові прилади, що мають властивість бути закритими для протікання струму в нормальному стані і бути відкритими для протікання струму однієї полярності при подачі напруги управління на його керуючий електрод. Тому для роботи в мережах змінного струму необхідно два тиристора, включених різноспрямовано - один для протікання позитивної напівхвилі струму, другий - негативної напівхвилі. Таке включення тиристорів називається зустрічно-паралельним.
Однофазний тиристорний регулятор з активним навантаженням
Працює тиристорний регулятор так. У початковий момент часу подається напруга L-N (фаза і нуль в нашому прикладі), при цьому імпульси напруги, що управляє на тиристори не подаються, тиристори закриті, струм в навантаженні Rн відсутня. Після отримання команди на запуск СІФУ починає формувати імпульси управління за певним алгоритмом (див.рис. 2).
Рис.2 Діаграма напруги і струму в активному навантаженні
Спочатку система управління синхронізується з мережею, тобто визначає момент часу, в який напруга мережі L-N дорівнює нулю. Ця точка називається моментом переходу через нуль (в іноземній літературі - Zero Cross). Далі відраховується певний час T1 від моменту переходу через нуль і подається імпульс управління на тиристор VS1. При цьому тиристор VS1 відкривається і через навантаження протікає струм по шляху L-VS1-Rн-N. При досягненні наступного переходу через нуль тиристор автоматично закривається, так як не може проводити струм в зворотному напрямку. Далі починається негативний напівперіод мережевої напруги. СІФУ знову відраховує час Т1 щодо вже нового моменту переходу напруги через нуль і формує другий імпульс управління вже тиристором VS2, який відкривається, і через навантаження протікає струм по шляху N-Rн-VS2-L. Такий спосіб регулювання напруги називається фазо-імпульсний.
Час Т1 називається часом затримки відмикання тиристорів, час Т2 - час провідності тиристорів. Змінюючи час затримки відмикання T1 можна регулювати величину вихідної напруги від нуля (імпульси не подаються, тиристори закриті) до повного мережевого, якщо імпульси подаються відразу в момент переходу через нуль. Час затримки відмикання T1 варіюється в межах 0..10 мс (10 мс - це тривалість одного напівперіоду напруги стандартної мережі 50 Гц). Також іноді говорять про часи T1 і Т2, але оперують при цьому не часом, а електричними градусами. Один напівперіод становить 180 ел.градусов.
Що являє вихідна напруга тиристорного регулятора? Як видно з малюнка 2, воно нагадує «обрізки» синусоїди. Причому чим більше час Т1, тим менше цей "обрізок" нагадує синусоїду. З цього випливає важливий практичний висновок - при фазо-імпульсному регулюванні вихідного напруга несинусоїдальний. Це обумовлює обмеження області застосування - тиристорний регулятор не може бути застосований для навантажень, що не допускають харчування несинусоїдальний напругою і струмом. Так само на малюнку 2 червоним кольором показана діаграма струму в навантаженні. Оскільки навантаження чисто активна, то форма струму повторює форму напруги відповідно до закону Ома I = U / R.
Випадок активного навантаження є найбільш поширеним. Одне з найбільш частих застосувань тиристорного регулятора - регулювання напруги в ТЕНах. Регулюючи напругу, змінюється струм і виділяється в навантаженні потужність. Тому іноді такий регулятор також називають тиристорним регулятором потужності. Це вірно, але все-таки більш вірна назва - тиристорний регулятор напруги, так як саме напруга регулюється в першу чергу, а струм і потужність - це величини вже похідні.
Регулювання напруги і струму в активно-індуктивному навантаженні
Ми розглянули найпростіший випадок активного навантаження. Задамося питанням, що зміниться, якщо навантаження буде мати крім активної ще й індуктивну складову? Наприклад, активний опір підключено через понижуючий трансформатор (рис.3). Це до речі дуже поширений випадок.
Рис.3 Тиристорний регулятор працює на RL-навантаження
Подивимося уважно на малюнок 2 з нагоди чисто активного навантаження. На ньому видно, що відразу після включення тиристора струм в навантаженні майже миттєво наростає від нуля до свого граничного значення, обумовленого поточним значенням напруги і опору навантаження. З курсу електротехніки відомо, що індуктивність перешкоджає такому стрибкоподібного наростання струму, тому діаграма напруги і струму буде мати дещо відмінний характер:
Рис.4 Діаграма напруги і струму для RL-навантаження
Після включення тиристора струм в навантаженні наростає поступово, завдяки чому крива струму згладжується. Чим більше індуктивність, тим більше згладжена крива струму. Що це дає практично?
- Наявність достатньої індуктивності дозволяє наблизити форму струму до синусоїдальної, тобто індуктивність виконує роль синус фільтра. В даному випадку це наявність індуктивності обумовлено властивостями трансформатора, але часто індуктивність вводять навмисно в вигляді дроселя.
- Наявність індуктивності зменшує величину перешкод, які розповсюджуються тиристорним регулятором по дротах і в радіоефір. Різке, майже миттєве (протягом декількох мікросекунд) наростання струму викликає перешкоди які можуть перешкоджати нормальній роботі іншого обладнання. А якщо живить мережу «слабка», то буває і зовсім курйоз - тиристорний регулятор може "глушити" сам себе своїми ж перешкодами.
- У тиристорів є важливий параметр - величина критичної швидкості наростання струму di / dt. Наприклад, для тиристорного модуля SKKT162 ця величина складає 200 А / мкс. Перевищення цієї величини небезпечно, так як може привести до виходу тиристору з ладу. Так ось наявність індуктивності дає можливість тиристору залишитися в області безпечної роботи, гарантовано не перевищивши граничну величину di / dt. Якщо ж ця умова не виконується, то може спостерігатися цікаве явище - вихід тиристорів з ладу, при тому, що струм тиристорів не перевищує їх номінального значення. Наприклад, той же SKKT162 може виходити з ладу при струмі в 100 А, хоча він може нормально працювати до 200 А. Причиною буде перевищення саме швидкості наростання струму di / dt.
До речі, слід зазначити, що індуктивність в мережі є завжди, навіть якщо навантаження носить чисто активний характер. Її наявність обумовлена, по-перше, індуктивністю обмоток живильної трансформаторної підстанції, по-друге, власної індуктивністю проводів і кабелів і, по-третє, індуктивністю петлі, утвореної живлять і навантажувальними проводами і кабелями. І найчастіше цієї індуктивності вистачає, щоб забезпечити умова неперевищення di / dt критичного значення, тому виробники зазвичай не ставлять в тиристорні регулятори дроселі. пропонуючи їх як опцію тим, кого турбує «чистота» мережі і електромагнітна сумісність пристроїв до неї підключених.
Також звернемо увагу діаграму напруги на малюнку 4. На ній також видно, що після переходу через нуль на навантаженні з'являється невеликий викид напруги зворотної полярності. Причина його виникнення - затягування спаду струму в навантаженні індуктивністю, завдяки чому тиристор продовжує бути відкритим навіть при негативній напівхвиль напруги. Замикання тиристора відбувається при спадання струму до нуля з деяким запізненням щодо моменту переходу через нуль.
Випадок індуктивного навантаження
Що буде якщо индуктивная складова багато більше складовою активної? Тоді можна говорити про випадок чисто індуктивного навантаження. Наприклад, такий випадок можна отримати, відключивши навантаження з виходу трансформатора з попереднього прикладу:
Малюнок 5 Тиристор регулятор з індуктивним навантаженням
Трансформатор, що працює в режимі холостого ходу - майже ідеальна індуктивне навантаження. У цьому випадку через великий індуктивності момент замикання тиристорів зміщується ближче до середини полупериода, а форма кривої струму максимально згладжується до майже синусоїдальної форми:
Малюнок 6 Діаграми струму і напруга для випадку індуктивного навантаження
При цьому напруга на навантаженні майже дорівнює повному мережевого, хоча час затримки відмикання становить всього половину полупериода (90 ел.градусов) Тобто при великій індуктивності можна говорити про зміщення регулювальної характеристики. При активному навантаженні максимальна вихідна напруга буде при куті затримки відмикання 0 ел.градусов, тобто в момент переходу через нуль. При індуктивному навантаженні максимум напруги можна отримати при вугіллі затримки відмикання 90 ел.градусов, тобто при відмикання тиристора в момент максимуму напруги. Відповідно, нагоди активно-індуктивного навантаження максимум вихідної напруги відповідає розі затримки відмикання в проміжному діапазоні 0..90 ел.градусов.