• Название:

    Лекция 16 Регул переменного напр(11)

  • Размер: 0.19 Мб
  • Формат: DOC
  • или



Лекция 16
Регуляторы переменного напряжения

Тиристорные регуляторы переменного напряжения широко применяются в электроприводе, также для питания электротермических установок.
Применение тиристоров для коммутации статорных цепей асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором позволяет решить задачу создания простого и надежного бесконтактного асинхронного электропривода.
Можно эффективно воздействовать на процессы разгона, замедления, осуществлять интенсивное торможение и точную остановку.
Безыскровая коммутация, отсутствие подвижных частей, высокая степень надежности позволяют применять тиристорные регуляторы во взрывоопасных и агрессивных средах.
Регуляторы переменного напряжения по числу фаз подразделяются на однофазные и трехфазные.
По способу регулирования подразделяются на фазовое, ступенчатое, фазо-ступенчатое, широтно-импульсное регулирование.

16.1 Однофазный регулятор переменного напряжения
с фазовым способом регулирования

Основным элементом однофазного регулятора является тиристорный симистор, он представляет собой два встречно-параллельно включенных тиристора, при помощи, которых нагрузка подсоединяется к цепи переменного тока (рисунок 16.1).

Рисунок 16.1 - Схема однофазного регулятора переменного напряжения

Фазовые методы регулирования базируются на управлении действующим значением переменного напряжения на нагрузке путем изменения длительности открытого состояния одного из включенных встречно-параллельно тиристоров в течение полупериода частоты сети.
При фазовом методе частота выходного напряжения соответствует частоте питающей сети, а регулирование производится путем изменения формы кривой выходного напряжения и тока.
Форма тока зависит от характера нагрузки.
Рассмотрим простой случай, когда.
Нагрузка чисто активная характерная для электротермических установок и ламп накаливания.
Фазовое регулирование возможно с отстающим углом управления ; с опережающим углом управления ; либо с тем и другим (двустороннее фазовое управление).
Фазовое регулирование с отстающим углом управления.
Временная диаграмма (рисунок 16.2) иллюстрирует фазовое регулирование с отстающим углом управления.
Тиристоры поочередно открываются в интервале положительной полуволны напряжения, приложенного к их анодам в момент прихода импульса тока в цепь управляющего перехода.
Тиристоры закрываются в точках естественной коммутации ,,. Рисунок 16.2 - Временная диаграмма фазового метода с отстающим углом управления

Зависимость действующего значения напряжения на нагрузке от угла управления называется регулировочной характеристикой , определяется из уравнения

. (16.1)

При нахождении интеграла учтем, что

(16.2)

Получим

. (16.3)

Как видно из временной диаграммы угол сдвига первой гармонической составляющей тока , относительно питающего напряжения.
В этом заключается некоторый парадокс: нагрузка чисто активная, а ток отстает от напряжения, что характерно для индуктивной нагрузки.
Фазовое регулирование с опережающим углом управления.
Работа регулятора с опережающим углом возможна только за счет принудительной коммутации, когда тиристор закрывается в интервале положительной полуволны питающего напряжения.
Эту задачу решают заменой однооперационных тиристоров на двухоперационные или на силовые транзисторные ключи. Рисунок 16.3 - Временная диаграмма фазового метода
с опережающим углом управления

Временная диаграмма (рисунок 16.3) иллюстрирует фазовое регулирование с опережающим углом управления.
Тиристоры поочередно открываются в начале положительной полуволны напряжения приложенного к их анодам в момент прихода положительных импульсов тока в цепь управляющего перехода (точки 0,2,4).
Тиристоры закрываются с опережением в момент прихода отрицательных импульсов тока в цепь управляющего перехода (точки 1,3).
Таким образом, формируется последовательность разнополярных импульсов напряжения, действующее значение которой зависит от угла управления, и определяется уравнением регулировочной характеристики

. (16.4)

Как видно из временной диаграммы первая гармоническая составляющая тока, потребляемая из сети, опережает напряжение , что говорит о том, что нагрузка носит емкостный характер.
Фазовое регулирование с двухсторонним управлением.
Работа регулятора с двухсторонним фазовым управлением также возможна только при принудительной коммутации.
Временная диаграмма (рисунок 16.4) иллюстрирует двухстороннее фазовое управление. Рисунок 16.4 - Временная диаграмма фазового метода
с двухсторонним управлением

При двухстороннем управлении из синусоидального напряжения выделяется центральная часть.
Открытие тиристора происходит с запаздыванием на угол , а закрытие - с опережением на этот угол.
Коммутация происходит под действием управляющих импульсов тока.
Зависимость действующего значения выходного напряжения определяется выражением

. (16.5)

Форма тока, потребляемая от сети при чисто активной нагрузке, совпадает с формой выходного напряжения.
Фазовый сдвиг между питающим напряжением и первой гармонической составляющей тока .
Регулировочные характеристики рассмотренных преобразователей показаны на рисунке 16.5. Рисунок 16.5 - Регулировочные характеристики:

1 - с отстающим и с опережающим углом управления;

2 - с двухсторонним управлением

Для всех случаев среднее значение тока через тиристор принимает максимальное значение при и равно

, (16.6)

а максимальное значение обратного напряжения

. (16.7)

Часто нагрузкой регулятора переменного напряжения служит асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Нагрузка носит практически чисто индуктивный характер.
На частоте сети индуктивное сопротивление в сотни раз больше активной составляющей.
В регуляторах, работающих на индуктивную нагрузку, в основном применяются регуляторы с отстающим углом управления.
Это объясняется простотой управления и возможностью использовать однооперационные тиристоры.
При работе на индуктивную нагрузку меняется форма токов, как показано на рисунке 16.6. Рисунок 16.6 - Временная диаграмма работы
регулятора переменного напряжения при индуктивной нагрузке

По временной диаграмме можно проследить, что в точке 1 на тиристор VT1 поступает управляющий импульс, который смещен относительно напряжения на угол.
Тиристор открывается, и ток через индуктивность начинает медленно возрастать (интервал 1-2).
В индуктивности происходит накопление энергии. В точке 2 тиристор остается открытым за счет тока, который создает индуктивность (интервал 2-3), отдавая энергию в нагрузку.
Если не учитывать потери на активном сопротивлении нагрузки, то тиристор будет открыт на интервале.
В точке 4 открывается тиристор VT2, он будет открыт на интервале 4-6. Здесь на интервале 4-5 индуктивность запасает энергию, а на интервале 5-6 отдает ее в нагрузку.
Далее процессы повторяются.
Если уменьшать , то интервал проводимости тиристоров увеличится, а при , тиристоры будут открыты в течение половины периода.
Ток примет синусоидальную форму и будет сдвинут относительно напряжения (форма тока показана пунктиром).
Уравнение регулировочной характеристики имеет вид

, (16.8)

из этого уравнения видно, что при все напряжение будет приложено к нагрузке.
Минимальный угол, при котором тиристоры открыты в течение , называется критическим.
При форма напряжения и тока через нагрузку не изменяется.
Регулировочная характеристика для случая чисто индуктивной нагрузки показана на рисунке 16.7. Рисунок 16.7 - Регулировочные характеристики:
1- с чисто активной нагрузкой ();
2- с чисто индуктивной нагрузкой ()

Трехфазный регулятор переменного напряжения с фазовым способом управления состоит из трех однофазных регуляторов (рисунок 16.8).
Применяется способ регулирования с запаздывающим углом управления , причем угол управления в каждой фазе задается отдельно от момента прохождения через ноль фазного напряжения. Рисунок 16.8 - Трехфазный регулятор переменного напряжения 16.2 Ступенчатый метод регулирования

Для реализации ступенчатого метода регулирования необходимо применить трансформатор с несколькими выводами от вторичной обмотки (рисунок 16.9). Рисунок 16.9 - Схема регулятора переменного напряжения
со ступенчатым методом регулирования

С помощью симисторов нагрузка подсоединяется к одному из выводов вторичной обмотки трансформатора.
Напряжение на нагрузке остается синусоидальным, т.к. тиристоры открываются и закрываются в моменты перехода напряжений через ноль.
Регулирование происходит ступенчато (рисунок 16.10 а,b).

Рисунок 16.10 - Временная диаграмма работы регулятора переменного напряжения соступенчатым (a,b) и фазоступенчатым методом регулирования (c)

Наименьшее напряжение подводится к нагрузке, когда включаются тиристоры VT1 и VT2 (рисунок 16.10,а), а наибольшее - когда включаются тиристоры VT3 и VT4 (рисунок 16.10,b).
Эта схема регулятора может быть использована и для фазоступенчатого метода регулирования, в котором совместно используется фазовый и ступенчатый методы регулирования (рисунок 16.10,с).
Изменяя угол управления тиристоров VT3 и VT4, можно плавно регулировать подводимое напряжение. Регулировочная характеристика определяется выражением

+ =
=. (16.9)

16.3 Широтно-импульсный метод регулирования

Широтно-импульсный метод регулирования основывается на изменении числа периодов переменного напряжения, подводимого к нагрузке, он может быть реализован по схеме (рисунок 16.11,а), где S – электронный ключ, который может коммутировать напряжение под действием управляющего сигнала. Рисунок 16.11 - Схема широтно-импульсного преобразователя (а)
и временная диаграмма его работы (b)

Он используется в тех случаях, когда нагрузка обладает большой тепловой инерцией.
Например, печи сопротивления, лампы накаливания.
Диаграмма (рисунок 16.11,b) иллюстрирует принцип работы широтно-импульсного регулятора.
При замкнутом ключе S на интервале времени к нагрузке подводится мощность , при разомкнутом ключе S на интервале времени подводимая мощность равна нулю.
Средняя мощность, отдаваемая в нагрузку, равна

. (16.10)

Недостатком этого метода является наличие в потребляемом токе низкочастотных пульсаций, возникающих в момент замыкания и размыкания ключа.