6.8. РЕГУЛИРУЕМЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изменение мощности, подводимой к потребителям переменного тока промышленной частоты, осуществляют с помощью регулируемых преобразователей переменного напряжения (рис. 6.20, а). Преобразователь состоит из двух встречно-параллельно включенных тиристоров.

В зависимости от способа управления преобразователем (закона формирования управляющих импульсов для отпирания тиристоров) возможны два способа регулирования: широтно-импульсный и фазовый.

При широтно-импульсном регулировании на пониженной частоте оба тиристора находятся во включенном и выключенном состоянии в течение интервалов, больших, чем период частоты питающего напряжения, т. е. преобразователь работает в режиме «включено — выключено» (рис. 6.20,6).

Рис. 6.20. Регулируемый преобразователь переменного напряжения: а — схема; б — временные диаграммы при широтно-импульсном и в-д — при фазовом регулировании

При подаче управляющих импульсов на тиристоры они пропускают обе полуволны напряжения в нагрузку и выполняют роль ключа, проводящего ток в двух направлениях. При снятии управляющих импульсов с тиристоров они не включаются: ключ разомкнут, напряжение и ток в нагрузке равны нулю. При редком включении и отключении нагрузки преобразователь выполняет функцию бесконтактного пускателя для подключения различных двигателей, электротермических установок и т. д. При периодическом включении и отключении ключа появляется возможность регулирования мощности в нагрузке за счет изменения длительности включенного состояния тиристоров относительно периода повторения циклов Т: , Средняя за период Т мощность в нагрузке

где — мощность в нагрузке при отсутствии регулирования.

Подобное регулирование мощности осуществляется, например, в электрических печах, имеющих большую тепловую постоянную времени.

При фазовом регулировании изменяют фазу импульсов управления относительно момента естественного отпирания вентилей, при этом также регулируется длительность подключения нагрузки к питающей сети (рис. , но эта длительность не превышает половину периода частоты сети. Этот способ позволяет получить более плавную и быстродействующую регулировку мощности и используется в сварочных аппаратах, для регулирования освещения, управления асинхронными двигателями, регулирования напряжения на первичной стороне трансформатора в высоковольтных выпрямителях, выполненных на диодах.

Рассмотрим работу преобразователя переменного напряжения с фазовым управлением при активной нагрузке (). При положительной полуволне напряжения сети вентиль V2 оказывается под обратным напряжением и пропускать ток не может. Тиристор V1 находится под прямым напряжением и отпирается в (рис. 6.20, в), при этом нагрузка подключается к сети и . Напряжение возрастает скачком, ток повторяет форму напряжения. В момент полярность напряжения сети меняется, ток спадает к нулю и тиристор V1 запирается. До отпирания V2 в момент напряжение и ток в нагрузке отсутствуют. При подаче в момент управляющего импульса на V2, он отпирается, напряжение на нагрузке вновь становится равным напряжению сети . В момент происходит запирание V2. При работе V1, V2 мощность передается из сети в нагрузку. При запертых тиристорах мощность от сети не потребляется.

Мощность в активной нагрузке можно рассчитать через действующее значение напряжения на нагрузке :

где

При увеличении угла управления интервал передачи мощности от сети к нагрузке уменьшается, мощность в нагрузке падает. Регулировочная характеристика преобразователя переменного напряжения приведена для активной нагрузки на рис. 6.21.

Если нагрузка активноиндуктивная (), то индуктивность нагрузки препятствует резким изменениям тока и затягивает длительность протекания тока через тиристор . На рис. 6.20, г приведены временные диаграммы напряжений и токов в преобразователе при , где .

В момент управляющий импульс подается на V1, он открывается, на нагрузке устанавливается напряжение и начинает нарастать ток нагрузки , На интервале мощность передается из сети в нагрузку и частично запасается в индуктивности. В момент напряжение сети изменяет свой знак, но индуктивность задерживает уменьшение тока и V1 остается открытым. Начиная с момента направления напряжения и тока в нагрузке противоположны (см. рис. 6.1, в), т. е. индуктивность цепи нагрузки отдает накопленную энергию. В момент энергия в индуктивности исчерпана, ток . До включения V2 следует бестоковая пауза (режим прерывистого тока). В момент управляющий импульс подается на вентиль V2, на интервале энергия снова передается из питающей сети в нагрузку.

При увеличении угла управления а интервал, на котором энергия передается в нагрузку, будет уменьшаться и действующее значение напряжения на нагрузке будет снижаться.

При уменьшении угла управления интервал, на котором в нагрузку передается энергия из сети, возрастает, при напряжение на нагрузке в течение всего периода и бестоковая пауза в нагрузке исчезает. Ток нагрузки имеет синусоидальную форму и сдвинут относительно напряжения на угол , тиристоры открыты поочередно в течение и нагрузка накоротко подключена к сети. Таким образом, в режиме непрерывного тока управляющее действие преобразователя теряется.

Рис. 6.21. Регулировочные характеристики преобразователя переменного напряжения

При дальнейшем уменьшении изменить величину и форму тока невозможно, так как в любой момент времени нагрузка связана с сетью.

Ток через V1 начинает протекать в момент , а через V2 — в момент Для нормальной работы преобразователя необходимо, чтобы в эти моменты на указанных вентилях были управляющие импульсы, которые, следовательно, должны иметь достаточную длительность. В противном случае вентиль не откроется и работа преобразователя нарушится. В процессе работы характер нагрузки изменяется, меняется и угол , поэтому для предотвращения срыва работы преобразователя при подаче импульсов управления в моменты система управления формирует длинные импульсы (см. рис. 6.20, д). Тиристоры в этом режиме включаются не в моменты подачи импульса, а в моменты перехода тока через нуль. Поэтому область углов не может быть использована для регулирования напряжения в нагрузке. Регулировочные характеристики преобразователя переменного напряжения при работе на активно-индуктивную нагрузку приведены на рис. 6.21. При работе на индуктивную нагрузку и область регулирования напряжения на нагрузке охватывает углы управления . В этом случае импульсы управления должны иметь длительности не менее .

Действующее значение напряжения на нагрузке при работе на активно-индуктивную нагрузку

Это напряжение зависит не только от напряжения сети и угла управления, но и от характера нагрузки: чем больше угол , тем больше затягивается интервал прохождения тока через тиристор К, тем большее время напряжение на нагрузке повторяет напряжение сети и тем больше . Зависимость выходного напряжения от характера нагрузки характерна для работы преобразователей в режиме прерывистого тока (см. § 6.2.2).

Для расчета параметров тиристоров, необходимых для их выбора, следует знать параметры нагрузки: наибольшие ток и напряжение. Средний ток через тиристор рассчитываем по режиму наибольшего тока через нагрузку в режиме и считаем, что имеет синусоидальную форму, тогда

Максимальное напряжение на тиристоре равно амплитуде ЭДС сети: