Регулятор напряжения для индуктивной нагрузки схема. Регуляторы напряжения для индуктивной нагрузки: виды, принципы работы, применение

alexxlabСхем
Каковы основные типы регуляторов напряжения для индуктивной нагрузки. Как работают симисторные и тиристорные регуляторы мощности. Где применяются регуляторы напряжения с индуктивной нагрузкой.

Содержание

Принцип работы регуляторов напряжения для индуктивной нагрузки

Регуляторы напряжения для индуктивной нагрузки используются для управления мощностью в цепях переменного тока с катушками индуктивности, трансформаторами, электродвигателями и другими индуктивными потребителями. Основной принцип их работы заключается в изменении действующего значения напряжения, подаваемого на нагрузку.

Регулирование осуществляется за счет изменения угла открытия силовых полупроводниковых ключей — тиристоров или симисторов. Чем больше угол открытия, тем меньшее напряжение подается на нагрузку. При нулевом угле открытия на нагрузку подается полное сетевое напряжение.

Основные виды регуляторов напряжения для индуктивной нагрузки

Существует несколько основных типов регуляторов напряжения, применяемых для индуктивной нагрузки:


  • Симисторные регуляторы
  • Тиристорные регуляторы
  • Регуляторы на IGBT-транзисторах
  • Трансформаторные регуляторы

Наиболее распространены симисторные и тиристорные регуляторы благодаря простоте схемотехнического решения и низкой стоимости.

Принцип работы симисторного регулятора напряжения

Симисторный регулятор напряжения содержит следующие основные элементы:

  • Симистор — силовой ключ
  • Систему управления
  • Датчик перехода сетевого напряжения через ноль

Система управления формирует импульсы управления симистором в зависимости от заданного угла открытия. Чем больше задержка открытия симистора относительно перехода сетевого напряжения через ноль, тем меньшее напряжение подается на нагрузку.

Особенности работы тиристорного регулятора напряжения

Тиристорный регулятор напряжения отличается от симисторного использованием двух встречно-параллельно включенных тиристоров вместо одного симистора. Это усложняет схему, но позволяет работать на больших мощностях.

Принцип регулирования аналогичен симисторной схеме — изменение угла открытия тиристоров позволяет регулировать действующее значение напряжения на нагрузке.


Применение регуляторов напряжения с индуктивной нагрузкой

Регуляторы напряжения для индуктивной нагрузки широко применяются в следующих областях:

  • Регулирование яркости светодиодных и газоразрядных светильников
  • Управление скоростью вращения электродвигателей переменного тока
  • Регулирование мощности трансформаторов и электропечей
  • Стабилизация напряжения в электросетях
  • Плавный пуск мощных электродвигателей

Использование регуляторов напряжения позволяет существенно повысить энергоэффективность оборудования и продлить срок его службы за счет плавного управления мощностью.

Преимущества регуляторов напряжения для индуктивной нагрузки

Основными достоинствами регуляторов напряжения с индуктивной нагрузкой являются:

  • Плавное бесступенчатое регулирование мощности
  • Высокий КПД (до 98-99%)
  • Возможность удаленного управления
  • Быстродействие
  • Бесшумность работы
  • Компактные размеры

Это делает их незаменимыми во многих промышленных и бытовых применениях, где требуется управление мощностью индуктивных потребителей.


Недостатки регуляторов напряжения с индуктивной нагрузкой

К основным недостаткам можно отнести:

  • Искажение формы кривой тока и напряжения
  • Генерация высших гармоник в питающую сеть
  • Снижение коэффициента мощности
  • Необходимость применения сглаживающих фильтров
  • Чувствительность к перенапряжениям в сети

Однако преимущества в большинстве случаев перевешивают указанные недостатки, что обуславливает широкое применение регуляторов напряжения для индуктивной нагрузки.

Перспективы развития регуляторов напряжения

Основные направления совершенствования регуляторов напряжения для индуктивной нагрузки включают:

  • Применение более совершенных алгоритмов управления
  • Использование быстродействующих микроконтроллеров
  • Разработку интеллектуальных систем управления
  • Интеграцию с системами «умного дома» и промышленного интернета вещей
  • Повышение энергоэффективности

Это позволит расширить функциональные возможности и области применения регуляторов напряжения для индуктивной нагрузки.



Регулятор напряжения индуктивной нагрузки

 

Регулятор напряжения индуктивной нагрузки относится к области электротехники, а именно к области управления магнитным полем обмоток управления управляемых подмагничиванием высоковольтных реакторов, используемых для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения, и обмоток возбуждения синхронных электрических машин, индукционных накопителей. В регулятор напряжения индуктивной нагрузки, содержащий высоковольтный трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена к сети высокого напряжения, а вторичная обмотка подключена к трехфазному полупроводниковому преобразователю с системой импульсно-фазового управления, подключенному к индуктивной нагрузке, источник питания, содержащий однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к низковольтной электрической сети, дополнительно введен токоограничивающий дроссель, высоковольтный трансформатор выполнен однофазным. При этом вторичная обмотка однофазного трансформатора источника питания последовательно с дросселем подключена к одним фазам полупроводникового преобразователя, а вторичная обмотка высоковольтного трансформатора подсоединена к другим его фазам. Технический результат — повышение надежности работы регулятора и индуктивной нагрузки за счет обеспечения в индуктивности нагрузки минимальных уровней магнитного поля и соответственно дозированного насыщения магнитопровода индуктивной нагрузки; исключение возникновения уравнительных токов между трансформаторами через параллельные ветви полупроводникового преобразователя; снижение массогабаритные показателей; минимизация состава оборудования и количества связей в регуляторе; сокращение расхода активных материалов и уменьшение, потерь электроэнергии.

Регулятор напряжения индуктивной нагрузки относится к области электротехники, а именно к области управления магнитным полем обмоток управления управляемых подмагничиванием высоковольтных реакторов, используемых для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения, и обмоток возбуждения синхронных электрических машин, индукционных накопителей.

Известны регуляторы напряжения (Патенты Российской Федерации RU 2130690, 2282925, 2335026, 2337424, Патенты США US 3,354,368; 3,509,439 и другие) индуктивной нагрузки.

Наиболее близким к заявленному решению является устройство для управления мощностью реактора с подмагничиванием (Патент на изобретение RU 2181915, H01F 29/14, 2000). Устройство позволяет плавно регулировать сетевой ток и мощность управляемых подмагничиванием реакторов. Регулятор напряжения для подмаг-ничивания постоянным током содержит трехфазный высоковольтный трансформатор, полупроводниковый преобразователь, систему импульсно-фазового управления, цепочку из последовательно соединенных диода и тиристора, источник питания (однофазный трансформатор 220/220 В). Недостатками регулятора являются сложность схемы из-за наличия в цепи предварительного подмагничивания тиристора и диода и усложнение за счет этого системы импульсно-фазного управления; увеличение количества связей в регуляторе; возникновение уравнительных токов между трансформаторами через параллельные ветви полупроводникового преобразователя; высокие массогабаритные показатели; повышенные расход активных материалов и потери электроэнергии.

Технический результат предлагаемой полезной модели — повышение надежности работы регулятора и индуктивной нагрузки за счет обеспечения в индуктивности нагрузки минимальных уровней магнитного поля и соответственно дозированное насыщение магнитопровода; исключение возникновения уравнительных токов между трансформаторами через параллельные ветви полупроводникового преобразователя; снижение массогабаритных показателей; минимизация состава оборудования и количества связей в регуляторе; сокращение расхода активных материалов и уменьшение потерь электроэнергии.

Технический результат достигается тем, что в регулятор напряжения индуктивной нагрузки, содержащий высоковольтный трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена к сети высокого напряжения, а вторичная обмотка подключена к трехфазному полупроводниковому преобразователю с системой импульсно-фазового управления, подключенному к индуктивной нагрузке, источник питания, содержащий однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к низковольтной электрической сети, дополнительно введен токоограничивающий дроссель, высоковольтный трансформатор выполнен однофазным, при этом вторичная обмотка однофазного трансформатора источника питания последовательно с упомянутым дросселем подключена к одним фазам полупроводникового преобразователя, а вторичная обмотка высоковольтного трансформатора подсоединена к другим его фазам.

Как видно из вышеизложенного, предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, отличными от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии данного решения критерию «новизна».

В результате проведенного поиска и последующего сопоставительного анализа совокупность признаков, отличающая предлагаемое техническое решение от прототипа, в известных устройствах не обнаружена, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «существенные отличия».

Применение однофазного трансформатора источника питания, подключенного первичной обмоткой к сети низкого напряжения (380/220 В), а вторичной обмоткой через токоограничивающий дроссель к полупроводниковому преобразователю, замена трехфазного трансформатора на однофазный, подключенного первичной обмоткой к электрической сети высокого напряжения, а вторичной обмоткой к полупроводниковому преобразователю, и разработанные для данного технического решения законы управления тиристорами полупроводникового преобразователя повышают надежность работы регулятора и индуктивной нагрузки за счет обеспечения в индуктивности нагрузки минимальных уровней магнитного поля и соответственно дозированного насыщения магнитопровода индуктивной нагрузки; исключают возникновение уравнительных токов между трансформаторами через параллельные ветви полупроводникового преобразователя; снижают массогабаритные показатели; минимизируют состав оборудования и количество связей в регуляторе; сокращают расход активных материалов и уменьшают потери электроэнергии.

Существенными признаками являются четыре нижеследующих, которые входят в формулу технического решения. Во-первых, наличие токоограничивающего дросселя, включенного последовательно в одной из фаз вторичной обмотки низковольтного трансформатора источника питания, позволяет исключить возникновение уравнительных токов между трансформаторами через параллельные ветви полупроводникового преобразователя. Во-вторых, исключение цепочки из последовательно соединенных диода и тиристора и использование вместо них трехфазного полупроводникового преобразователя позволяет минимизировать состав оборудования и снизить массогабаритные показатели регулятора. В-третьих, замена трехфазного трансформатора на однофазный снижает массогабаритные показатели регулятора, сокращает расход активных материалов, уменьшает потери электроэнергии. В-четвертых, разработанные законы управления тиристорами позволяют повысить надежность работы регулятора за счет обеспечения в индуктивности нагрузки минимальных уровней магнитного поля и соответственно дозированного насыщения магнитопровода.

Сущность технического решения поясняется прилагаемым чертежом, где приведена схема однофазного регулятора напряжения.

Регулятор напряжения индуктивной нагрузки содержит индуктивную нагрузку 1, трехфазный полупроводниковый преобразователь 2 — трехфазный мост Ларионова, однофазный высоковольтный трансформатор 3, источник питания 4, однофазный низковольтный трансформатор 5, токоограничивающий дроссель 6, систему импульсно-фазного управления 7.

Индуктивная нагрузка 1 соединена с выходом полупроводникового преобразователя 2, к фазам А и В которого подключена вторичная обмотка однофазного высоковольтного трансформатора 3, первичная обмотка которого подключена к электрической сети высокого напряжения 8. Источник питания 4 содержит однофазный низковольтный трансформатор 5, вторичная обмотка которого подключена через токоограничивающий дроссель 6 к фазам В и С полупроводникового преобразователя 2, а первичная обмотка трансформатора 5 подключена к электрической сети низкого напряжения 9.

В таблице приведены значения углов (А, В, С) отпирания тиристоров полупроводникового преобразователя, соответствующие задержке отпирания относительно ближайшего перехода через ноль питающего напряжения (углу 0 соответствует полностью проводящее состояние тиристоров, а углу полностью запертое состояние тиристоров), а также режимы работы трансформаторов Tp1 и Тр2 (см. фиг.) при различных режимах работы индуктивности.

Режимы работы
ПоказательНабор энергии и стационарное состояние Сброс энергииЖдущий режим
А 0<А</2<А<
В 0/2<В<0
С 00
Tp1 Напряжение питания подано Напряжение питания подано Напряжение питания отсутствует
Тр2Напряжение питания поданоНапряжение питания поданоНапряжение питания подано

Регулятор работает следующим образом.

Полупроводниковый преобразователь 2 использует естественную коммутацию тиристоров, то есть запирание тиристоров происходит при снижении прямого тока до тока удержания и появлении на них обратного напряжения. Регулирование выходного напряжения осуществляется путем задержки включения тиристоров относительно моментов времени перехода через ноль питающего напряжения (фазовое регулирование). Формирование управляющих импульсов и изменение угла отпирания осуществляется системой импульсно-фазового управления (СИФУ) 7 полупроводникового преобразователя 2.

В режиме набора энергии и стационарном, установившемся режиме работы индуктивности трансформаторы 3 (Tp1) и 5 (Тр2) включены. В зависимости от требуемой величины энергии в индуктивности угол отпирания тиристоров ветви А полупроводникового преобразователя изменяется в интервале 0<А<. При этом тиристоры в ветвях В и С открыты полностью: В=С=0. Индуктивность 1 находится в режиме нарастающего (при наборе энергии) или установившегося режима насыщения магнитопровода основного оборудования (управляемые шунтирующие реакторы, синхронные машины и др. ). В режиме сброса энергии трансформаторы 3 {Tp1) и 5 (Тр2) включены и угол отпирания тиристоров ветвей А и В находятся в интервале /2<В<; /2<В<. Тиристоры ветви С в этом режиме полностью заперты: C=. Насыщение магнитопровода изменяется от заданного до минимального. В ждущем режиме напряжение питания на трансформаторе 3 {Tp1) отсутствует, а на трансформаторе 5 {Тр2) присутствует. Углы отпирания тиристоров ветвей В и С равны В=С=0, а тиристоры ветви А полностью заперты А=. Эти законы управления обусловлены режимами работы основного оборудования, в котором индуктивность может являться обмоткой управления, обмоткой возбуждения и т.п. При этом работа преобразователя 2 по ветвям А и В, подключенным к силовому трансформатору Tp1, обеспечивает управление обмотками основного силового оборудования путем изменения насыщения магнитопровода, а по ветвям В и С, подключенным к гораздо менее мощному трансформатору Тр2, обеспечивает протекание в индуктивности выпрямленного тока такой величины, которая, при отсутствии напряжения питания на силовой части, обеспечит дозированное насыщение магнитопровода, что позволяет при включении силовой части оборудования и подаче на него рабочего напряжения, безынерционно выходить на заданные режимы. При этом наличие токоограничивающего дросселя 6 в цепи вторичной обмотки трансформатора 5 источника питания 4 исключает возникновение уравнительных токов между трансформаторами через параллельные ветви полупроводникового преобразователя.

Таким образом, благодаря использованию мощного однофазного трансформатора вместо трехфазного, одного трехфазного полупроводникового преобразователя на тиристорах, а также введению токоограничивающего дросселя повышается надежность работы регулятора и индуктивной нагрузки за счет обеспечения в индуктивности нагрузки минимальных уровней магнитного поля и соответственно дозированного насыщения магнитопровода индуктивной нагрузки; исключается возникновение уравнительных токов между трансформаторами через параллельные ветви полупроводникового преобразователя; снижаются массогабаритные показатели; минимизируются состав оборудования и количество связей в регуляторе; сокращается расход активных материалов, и уменьшаются потери электроэнергии.

Предлагаемое устройство исследовано на математических и физических моделях управляемых шунтирующих реакторов 110-220 кВ. Эти исследования и эксперименты показали эффективность и работоспособность предлагаемого регулятора напряжения индуктивной нагрузки.

Регулятор напряжения индуктивной нагрузки, содержащий высоковольтный трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена к сети высокого напряжения, а вторичная обмотка подключена к трехфазному полупроводниковому преобразователю с системой импульсно-фазового управления, подключенному к индуктивной нагрузке, источник питания, содержащий однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к низковольтной электрической сети, отличающийся тем, что в регулятор напряжения дополнительно введен токоограничивающий дроссель, высоковольтный трансформатор выполнен однофазным, при этом вторичная обмотка однофазного трансформатора источника питания последовательно с упомянутым дросселем подключена к одним фазам полупроводникового преобразователя, а вторичная обмотка высоковольтного трансформатора подсоединена к другим его фазам.

Контрольные вопросы и задачи

Следует, однако, учитывать, что близкую к симметричной трёхфазную систему напряжений на выходе ПЧНС нам удастся обеспечить при n =1, 3, 6, 9, … и т.

д. Соответствующие им значения частоты выделены красным цветом. С дальнейшим увеличением n неточность фазового сдвига уменьшается и при этом снижается относительное значение дискретности шага по частоте. Регулирование fвых становится плавным и непрерывным.

Если не учитывать влияние to, то амплитуду выходного напряжения такого преобразователя можно плавно уменьшать от максимального значения Uмакс= Udo = Emm/ Sin/m = 2E2m/ Sin/m до нуля. При этом можно и формировать огибающую выходного напряжения, начиная с простейшей прямоугольной (Рис.11.2а,б), до любой желаемой формы, например, синусоидальной (Рис.11.3). В последнем случае достаточно изменять угол регулирования  относительно его значения  = /2по линейному закону (Рис.11.3б).

Чем больше размах модуляции угла , тем больше амплитуда выходного напряжения. Это справедливо для выходного напряжения ПЧНС любой формы.

При активно-индуктивной нагрузке «гладкая» составляющая выходного тока ПЧНС «отстаёт» по фазе от такой же составляющей напряжения Рис.11.2 и 11.3, а это значит, что имеются временные участки, на которых электрическая энергия накапливается в индуктивностях нагрузки и участки, на которых накопленная энергия возвращается в сеть. Происходит обмен энергией между источником (сетью) и потребителем. Рассмотрим процессы обмена энергией в схеме ПЧНС с комплектами тиристоров «В» и «Н» (Рис.11.3).

В интервале 12 напряжение и ток (их гладкие составляющие) имеют одинаковые и положительные знаки (Рис.11.3а). Следовательно, нагрузка является потребителем электрической энергии, а комплект тиристоров «В» преобразователя работает в выпрямительном режиме. Угол регулирования 

1 в этом интервале меньше /2.

В интервале 23 напряжение на нагрузке становится отрицательным, а ток сохраняет прежнее направление. Значит комплект тиристоров «В» продолжает проводить ток, но уже в инверторном режиме, т.е. при значении 1 /2 и отрицательном знаке среднего значения (гладкой составляющей) выходного напряжения ПЧНС. Энергия, накопленная в индуктивности нагрузки, возвращается в сеть и частично рассеивается в активном сопротивлении цепи нагрузки.

В момент 3 под действием изменившегося знака Ud ток Id спадает до нуля и происходит переключение ЛУ с одновременным и «скачкообразным» изменением угла на выходе СИФУ от значения 1 до значения 

2 =  — 1 и подачей управляющих импульсов с углом 2 на второй комплект тиристоров «Н».

В интервале 34 в выпрямительном режиме (2  /2) проводит ток комплект тиристоров «Н». На этом интервале ток нагрузки Id и напряжение Ud снова совпадают по знаку. Снова в индуктивности нагрузки накапливается электромагнитная энергия за счёт другого знака тока Id.

В интервале 45 комплект тиристоров «Н» переходит в инверторный режим, ток в нагрузке спадает (по модулю) до нуля и накопленная в индуктивности энергия теперь уже через этот комплект возвращается в сеть. Далее всё повторяется в уже описанной последовательности.

Схема ПЧНС с раздельным управлением комплектами вентилей «В» и «Н» за счёт естественной коммутации тиристоров получается наименьшей по габаритам и массе среди других схем преобразователей частоты.

Недостаток таких преобразователей заключается в довольно большом значении коэффициента искажения кривой выходного напряжения и низком коэффициенте мощности при реализации синусоидальной формы этого напряжения. К числу существенных недостатков ПЧНС на тиристорах следует также отнести и низкое значение максимальной выходной частоты, что особенно важно в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока, так как не позволяет получать высокие скорости вращения вала двигателя. В частотно-регулируемых электроприводах с такими преобразователями обычно ограничивают максимум выходной частоты величиной 2025 Гц.

Преобразователи частоты с непосредственной связью в трёхфазном варианте впервые были использованы в низкооборотных безредукторных электроприводах большой мощности (шаровые мельницы, цементные печи) [1], а также для индукционного нагрева и одновремённого перемешивания жидкого металла в металлургических электропечах. При низкочастотном нагреве и перемешивании в отличие от высокочастотного металл прогревается в печи равномерно и на всю глубину.

Следует заметить, что в 80-е годы прошлого века в СССР был организован выпуск специальных двухфазных асинхронных двигателей с к.з. ротором типа 4ПФ и синхронных типа ДВУ, предназначенных для питания от ПЧНС. На их базе выпускались регулируемые электроприводы типа ЭТА и ЭТС для крупных металлорежущих станков и скважинных штанговых насосных установок [2]. Достоинством таких электроприводов было меньшее количество тиристоров в силовой схеме и каналов СИФУ в схеме управления ПЧНС (два реверсивных комплекта вместо трёх).

1. Что такое ПЧНС и в чём его отличие от управляемого выпрямителя?

2. Каково предельное значение выходной частоты ПЧНС?

3.От чего зависит амплитуда выходного напряжения ПЧНС?

4.В чём заключаются достоинства и недостатки ПЧНС?

5.Где и как используются ПЧНС?

12 Регуляторы напряжения в цепях переменного тока.

12.1 Однофазные регуляторы.

Принцип действия их основан на использовании электронного ключа с двусторонней проводимостью, включённого последовательно с нагрузкой. В качестве такого ключа могут применяться два антипараллельных тиристора, либо симистор, либо диодный мост с тиристором в диагонали (Рис.12.1).

Рис.12.1 Силовые схемы регуляторов напряжения в однофазных цепях переменного тока.

DM-диодный мост; Т, Т1,Т2— тиристоры; S, S1,S2 – симисторы, Uc,Uн— напряжения на входе и выходе регуляторов; Rн,Lн – параметры нагрузки.

Вместо тиристоров могут применяться и полностью управляемые (запираемые) приборы, но с устройствами, ограничивающими на допустимом уровне «всплеск» напряжения в моменты «обрыва» тока нагрузки. Способы и схемы для ограничения напряжения нами пока не рассматриваются. Будем просто полагать, что они каким-либо образом технически реализуются в схеме бесконтактного выключателя.

Для «замыкания» или «размыкания» бесконтактного тиристорного выключателя достаточно подать или снять импульсы с управляющего входа этих приборов. Выключение их происходит после прекращения подачи отпирающих импульсов в момент очередного изменения знака протекающего через тиристор (ключ) тока.

С помощью бесконтактного выключателя можно реализовать разные режимы его работы и, соответственно, обеспечить разные принципы построения регулятора. Сегодня известны регуляторы, использующие следующие методы:

  • широтно-импульсный,

  • фазовый,

  • ступенчатый и

  • фазово-ступенчатый.

При широтно-импульсном управлении регулируется средняя мощность нагрузки. Это обеспечивается за счёт изменения числа периодов Тс переменного напряжения сети, подводимых к нагрузке за некоторый период времени Т (Т» Тс). Диаграмма напряжений для этого случая показана на Рис.12.2а. На интервале tвкл, когда электронный ключ замкнут и, следовательно проводят ток тиристоры в нагрузке выделяется энергия А= tвкл(Uc2/Rн) = tвкл Рмакс, где Рмакс= Uc2/Rн.

Средняя за интервал времени Т мощность в нагрузке составит величину

Рн ср=Рвых= Uc2/Rн tвкл/Т = Рмакс, (12-1)

где  = tвкл/Т является величиной обратной скважности импульсов мощности или коэффициентом заполнения интервала Т. Чем меньше , 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 . Для нагрузки в виде активного сопротивления Rн возможны (в принципе) три

способа фазового регулирования:

  • с отстающим углом  (Рис12. 2б),

  • с опережающим углом  (Рис.12.2в) и

  • двустороннее фазовое регулирование (Рис.12.2г).

Очевидно, что зависимости действующего значения напряжения на нагрузке Rн с отстающим или опережающим углами регулирования  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  для нагрузки в виде активного сопротивления Rн 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 , а это приводит к уменьшению коэффициента мощности, ибо  = .

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 . 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 =arctgLн/Rн. Регулирование (уменьшение) напряжения в такой нагрузке возможно лишь при значениях   . Действующее значение напряжения на выходе регулятора находим из соотношения

В относительных единицах

, (12-4)

где  — длительность протекания тока через тиристор, зависящая от величины  и отношения Lн/Rн. При = ток в цепи нагрузки будет равен нулю.

Если уменьшать угол управления от значения =, то продолжительность импульсов тока нагрузки будет увеличиваться и при значении = = arktg(Lн/Rн) паузы между разнополярными импульсами в кривой тока, а значит и напряжения на нагрузке исчезают. Ток и напряжение приобретают синусоидальную форму. Дальнейшее уменьшение угла  при длительности управляющих импульсов тиристоров больше угла  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  при активно-индуктивной нагрузке и различных значениях  показаны на Рис.12.3б.

Система управления должна формировать управляющие импульсы для тиристоров длительностью больше . В противном случае при =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 Ucb и полная вторичная обмотка Uac). 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 Uн2, Uн1 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 . 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 αmin< α < αmax. 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?

Литература

Переключение индуктивных нагрузок с безопасным размагничиванием