Призначення та класифікація регуляторів напруги

Регулятори змінного струму: є електронними ключами, що дозволяють вмикати чи вимикати навантаження у колі змінного струму або регулювати потужність, яка виділяється у навантажені. Регулятори можуть бути класифіковані у залежності від способу керування, числа фаз, схеми з'єднання, виду навантаження та ін. Найбільш загальна їхня класифікація ґрунтується на способі керування та включає такі типи регуляторів:

• електронний ключ типу контактора;
• керований електронний ключ;
• регульований електронний ключ.

Електронний ключ типу контактора слугує лише для вмикання або вимикання навантаження. Після вмикання напруга на навантаженні дорівнює напрузі мережі живлення. Такі ключі застосовують, наприклад, для керування нагрівальними приладами, для комутації одно- та трифазних електродвигунів.

Керований електронний ключ відрізняється від контактора тим, що для зниження величини перехідних струмів, що супроводжують процес вмикання, подача напруги на навантаження здійснюється поступово від нуля до значення напруги мережі живлення. Це реалізується зменшенням кута керування від найбільшої величини до найменшої з наперед встановленою швидкістю.

Керовані електронні ключі можуть бути застосовані, наприклад, для уповільненого вмикання чи вимикання освітлення, для такого ж запуску електродвигуна, що забезпечує зниження величини пускового струму.

Регульований електронний ключ здійснює регулювання кута керування за необхідним законом, а значить напругу і потужність, що віддається у навантаження.

При роботі регульованого ключа форма кривої напруги на навантаженні відрізняється від форми кривої мережі живлення, за рахунок чого і напруга, і струм містять у собі багато гармонік. Основна гармоніка має ту ж частоту, що й частота напруги живлення. Струм основної гармоніки відстає від напруги за фазою. Величина кута відставання залежить від виду навантаження і величини кута керування, але, навіть за активного навантаження, кут відставання не дорівнює нулю: пристрої з такими ключами завжди споживають реактивну потужність.

Регулятори усіх трьох типів мають однакову схему силового вузла, але відрізняються побудовою системи керування, що повинна реалізовувати необхідний закон зміни напруги на навантаженні.

У якості силових елементів у потужних регуляторах використовуються тиристори, симістори і рідше двоопераційні тиристори, потужні біполярні, польові та IGBT-транзистори.

Однофазні регулятори напруги

Найбільш розповсюдженими є однофазні регулятори змінного струму зі схемами силової частини, зображеними на рисунку 1.

Рис. 1. Однофазні регулятори змінного струму. Схеми силової частини

У схемі повністю керованого однофазного симетричного електронного ключа типу "тиристор-тиристор" (рис 1, а) навантаження приєднується до мережі живлення через два тиристори, з'єднані зустрічно-паралельно. Як відомо, щоб тиристор почав проводити струм, до нього повинна бути прикладена пряма напруга і необхідно до керуючого електрода подати керуючий сигнал.

Два з'єднані зустрічно-паралельно тиристори можуть бути замінені одним симістором, як це показано на рис 1, б.

Часові діаграми напруг і струмів на навантаженні та елементах схеми рис. 1, а зображені на рис. 2, де позначено:

u_М – напруга мережі живлення; u_КЕР – напруга сигналу керування; R_Н – активний опір навантаження; L_Н – індуктивність навантаження; u_Н, i_Н – напруга і струм навантаження; f – частота мережі; α – кут керування; λ – кут провідності тиристора; δ – кут, на який збільшується провідність тиристора з активно-індуктивним навантаженням (δ = α_ВИМ – π); α_ВИМ – кут вимикання тиристора (α_ВИМ = α + λ).

При активному характері навантаження його струм за формою повторює напругу на ньому. Через тиристор VS1 струм протікає протягом позитивного півперіоду, а через тиристор VS2 – протягом негативного.

Рис. 2. Часові діаграми напруг і струмів однофазних регуляторів напруги: а) з активним навантаженням; б) з активно-індуктивним навантаженням

Тиристорний регулятор напруги У-252

Промисловістю випускаються електронні однофазні регулятори напруги типа РН, РНТО, У-252 та ін., які призначені для плавного регулювання однофазної напруги на навантаженні.

Тиристорний регулятор напруги У-252 входить в уніфіковану систему приладів автоматичного регулювання «Каскад» і призначений для перетворення вхідного сигналу постійного струму (напруги) у вихідний сигнал змінної напруги. Вихідна напруга використовується для живлення однофазного активного навантаження, що допускає фазове керування.

Функціональна схема тиристорного регулятора з фазо-імпульсним керуванням показана на рис. 3.

Рис. 3. Імпульсно-фазове керування тиристорами

Зустрічне включення тиристорів дозволяє використовувати для живлення навантаження обидві напівхвилі змінної напруги мережі. Керування тиристорами здійснюється від системи імпульсно-фазового керування (СІФК). Найбільшого поширення набули синхронні СІФК, робота яких синхронізована напругою живлячої мережі U_м.

Функціональна схема СІФК складається з компаратора, на один з входів якого подається напруга керування U_кер, а на інший – опорна напруга U_оп з генератора опорної напруги, що лінійно змінюється. У момент часу, коли опорна напруга U_оп стає більше за керуючу U_кер, відбувається переключення компаратора і запуск формувача керуючих імпульсів. Керуючі імпульси U_вих подаються на керуючі електроди тиристорів VS1, VS2 і відкривають їх у визначений час. З цієї миті через один з тиристорів і навантаження тече струм. Оскільки генератор опорної напруги синхронізований мережею, то фаза імпульсного сигналу відносно початку напівперіоду живлячої напруги визначиться величиною керуючої напруги і законом зміни опорної напруги (рис. 4).

Рис. 4. Часові діаграми роботи СІФК

Вихідна напруга тиристорного регулятора в режимі безперервного струму визначається співвідношенням:

де α – кут керування; U₀ – вихідна напруга при α = 0.

Зміна керуючої напруги приводить до зміни кута керування тиристором α і зміни вихідної напруги від 0 до U_m.

Основні параметри регулятора У-252:

Регулятор У-252 складається з блоку силових тиристорів БТ-01 і блоку керування тиристорами БУТ-01 (рис. 5).

Рис. 5. Принципова схема тиристорного регулятора У-252

У схемі пристрою передбачена можливість керування сигналами як за струмом, так і за напругою. Уніфікований сигнал постійного струму 0…5 мА або 0…20 мА подається, відповідно, на клеми 4-6 або 3-6, при цьому клеми 5-6 закорочені. Якщо використовується уніфікований сигнал постійної напруги, то він подається на клеми 5-6. На вхід порогового елементу, зібраного на транзисторі VT2, подається сума вхідного сигналу; напруга зсуву U_R2; напруга від’ємного зворотного зв'язку і пилкоподібної напруги U_C2.

Генератор пилкоподібної напруги реалізований на транзисторі VT1 і отримує живлення від двохнапівперіодного випрямляча VD14-VD16. Керування роботою генератора здійснюється від двохнапівперіодного випрямляча на діодах VD12, VD13. Транзистор VT1 працює в ключовому режимі. Протягом майже всього напівперіоду напруги живлення транзистор VT1 закритий напругою на діоді VD1, струм через який задається резистором R8. В кінці кожного напівперіоду, коли напруга на діоді VD1 падає до нуля, транзистор VT1 відкривається струмом, що задається резистором R7. Протягом часу, коли транзистор VT1 закритий, конденсатор С2 заряджається від випрямляча VD14-VD16 через резистори R4, R5. В кінці кожного напівперіоду С2 розряджається через відкритий транзистор VT1. Час розрядки конденсатора С2 багато менше часу заряду, оскільки транзистор VT1 знаходиться в режимі насичення. Час зарядки і момент початку розрядки С2 вибрані так, щоб розрядка закінчувалася до настання початку наступного напівперіоду живлячої напруги. Рівень пилкоподібної напруги підстроюється за допомогою резистора R5.

Дільник напруги на резисторах R3, R2 живиться від двохнапівперіодного випрямляча VD14-VD16. Опір R2 термозалежний, що забезпечує температурну компенсацію спрацьовування порогового елемента, який виконано на транзисторі VT2.

Підсумовування сигналів здійснюється таким чином, що вхідна і пилкоподібна напруга подається на вхід порогового елементу в «відкриваючій» полярності, а напруга зміщення – в тій, що «закриває». За відсутності вхідного сигналу транзистор VT2 закритий, оскільки рівень пилкоподібної напруги не перевищує сумарного значення порогової напруги і напруги зміщення. Якщо на вхід поданий сигнал, то транзистор VT2 відкривається на якийсь час, протягом якого пилкоподібна напруга, яка підсумована з вхідним сигналом, перевищує напругу «порогу» і зміщення. У момент часу, коли VT2 закритий, транзистор VT3 відкритий і знаходиться в режимі насичення. Режим насичення транзистора VT3 здійснюється вибором опорів резисторів R9, R10. При відкритому VT3 транзистор VT4 блокинг-генератора знаходиться в загальмованому стані і сигнали керування на силовий блок БТ-01 не поступають. У моменти часу, коли VT2 відкривається, а VT3 закривається, на VT4 через резистор R11, діоди VD3, VD4 подається негативна напруга, що запускає блокинг-генератор, який починає генерувати послідовність імпульсів. Ця імпульсна напруга подається на керуючі електроди тиристорів VS6, VS7.

Блокинг-генератор виконаний на транзисторі VT4, в колекторне коло якого включений імпульсний трансформатор TV2. З обмотки ІІІ трансформатора на перехід база-емітер транзистора VT4 через елементи R14, C3 здійснюється позитив-ний зворотний зв'язок. Перенапруження, що виникає на транзисторі VT4, в моменти комутації обмежуються колом VD7, R15. Загальмований режим блокинг-генератора забезпечується падінням напруги на діодах VD6, VD5, яка через резистор R12 в замикаючій полярності прикладається до переходу емітер-база транзистора VT4. Струм діодів VD6, VD5 задається резистором R13. Діоди VD3, VD4 запобігають запуску блокинг-генератора напругою насиченого транзистора VT3 і діода VD2 за відсутності вхідного сигналу. Живлення порогового елементу (VT2), підсилювача (VT3), блокинг-генератора (VT4) здійснюється від мостового випрямляча VD17-VD20. Імпульси, що знімаються з обмоток ІV і V трансформатора TV2, через діоди VD9, VD10 і опори R22, R23 управляють силовими тиристорами VS6, VS7. У анодні кола тиристорів для їх захисту від перевантажень включені запобіжники FU1, FU2, а RC-кола R21, C8 і R24, C9 призначені для захисту тиристорів від перенапружень.

Для стабілізації коефіцієнта підсилення приладу введений від’ємний зворотний зв'язок (ВЗЗ). Напруга ВЗЗ формується за допомогою тиристора VS5, анодне коло якого живиться незгладженою напругою від випрямляча VD14, VD15, внаслідок чого тиристор VS5 вимикається в кінці кожного напівперіоду. Тиристор VS5 відкривається імпульсами з обмотки ІІІ трансформатора ТV2, що поступають через елементи VD8, R20 і за рахунок струму тиристора на резисторі R16 створюється напруга, яка усереднюється колом R17, R18, C7.

Напруга з конденсатора С7 через резистор R19 подається на вхід порогового елементу на транзисторі VT2. Діод VD11 запобігає відмикання транзистора VT2 струмом випрямляча VD14-VD16 через коло зворотного зв'язку.

Трифазні регулятори напруги

Найбільш розповсюджені варіанти силових схем вмикання трифазних симе-тричних регуляторів, що виконані за схемою з'єднання "тиристор-тиристор" наведено на рис. 6. У схемі на рис. 6, а нейтраль зірки виведена, а у схемах на рис. 6, б вона ізольована. Два зустрічно-паралельних тиристори на цих схемах можна замінити одним симістором чи тиристором, зашунтованим у зворотному напрямку діодом.

Рис. 6. Варіанти силових схем вмикання трифазних симетричних регуляторів

Схеми вмикання з ізольованою нейтраллю придатні для живлення навантаження, з'єднаного як у зірку, так і у трикутник, а схема з виведеною нейтраллю – для живлення навантаження, з'єднаного тільки у зірку.

Блок керування симісторами і тиристорами (БУСТ) ОВЕН

Блок керування симисторами і тиристорами БУСТ ОВЕН призначений для керування симисторами або тиристорами, що працюють з активним навантаженням: нагрівальними елементами інерційних печей, інфрачервоними лампами та ін.

БУСТ рекомендується використовувати для регулювання потужності спільно з ПІД-регуляторами і має наступні можливості:

• автоматичне регулювання потужності активного навантаження за допомогою сигналів керування, що поступають від ПІД-регулятора;
• ручне регулювання потужності;
• плавний вихід на заданий рівень потужності для запобігання різкого перевантаження мережі живлення;
• світлодіодна індикація рівня потужності (10 рівнів від 0 до 100%);
• зовнішнє блокування керування навантаженням;
• робота з одно-, дво- і трифазним навантаженням.

Прилад має три ідентичні канали керування тиристорами або симісторамі (рис. 7). Кожен канал відповідає одній з фаз і складається з пристрою контролю переходу напруги фази через нуль, пристрою контролю струму фази, пристрою обробки сигналу, формувача імпульсів і імпульсного трансформатора (рис. 8).

Рис. 7. Функціональна схема пристрою БУСТ

Рис. 8. Функціональна схема каналу керування БУСТ

Пристрій контролю переходу напруги через нуль формує імпульс на початку кожного напівперіоду відповідної фази (рис. 9). Ці імпульси синхронізують роботу пристрою обробки сигналів.

Рис. 9. Часові діаграми роботи пристрою контролю переходу напруги фази через нуль

Пристрій обробки сигналів аналізує стан перемичок S1...S6 (таблиця 1), якими задається режим роботи, визначає момент відкриття тиристора або симістора залежно від величини керуючого сигналу на вході і запускає формувач імпульсів.

Таблиця 1. Режими роботи блоку керування симісторами і тиристорами ОВЕН БУСТ

Положення перемички S1 визначає метод керування потужністю в навантаженні. При знятій перемичці – фазовий, а при встановленій – по числу напівперіодів.

Положення перемички S2 визначає, аналізується стан пристрою контролю струму захисного відключення чи ні. При встановленій перемичці – аналізується, а при знятій – ні.

Положення перемички S3 визначає режим роботи приладу. При знятій перемичці виконується попередня установка рівня струму захисного відключення. При такій установці запуск формувача імпульсів заблокований і тиристори або симістори замкнуті. Контроль встановлюваного рівня здійснюється за допомогою десяти світлодіодів. При встановленій перемичці прилад знаходиться в робочому режимі.

Положення перемички S4 визначає, використовується фаза В чи ні. При знятій перемичці канал керування вимкнений, а при встановленій включений. Якщо дана фаза не використовується (не підключений контроль напруги фази), перемичка обов'язково повинна бути знята. Інакше прилад не включиться.

Положення перемички S5 визначає, використовується фаза С чи ні. При знятій перемичці канал керування вимкнений, а при встановленій - включений. Якщо дана фаза не використовується (не підключений контроль напруги фази), перемичка обов'язково повинна бути знята. Інакше прилад не включиться.

Положення перемички S6 визначає, який сигнал використовується для ке-рування. При встановленій перемичці – 4...20 мА, а при знятій – всі інші.

Формувач імпульсів при запуску видає три імпульси тривалістю 30 мкс з проміжками 500 мкс для надійного відкриття тиристорів або симісторів.

Пристрій контролю струму призначений для захисного відключення навантаження при перевищенні встановленої величини. До входу пристрою контролю струму підключається вторинна обмотка трансформатора струму, а його первинна обмотка включена в коло навантаження відповідної фази. Максимально допустимий струм на вході приладу не повинен перевищувати 2 А. Трансформатор струму вибирають так, щоб при номінальному струмі на навантаженні I_Н струм на його виході був 0,5...1,0 А. Для стандартних трансформаторів з коефіцієнтом трансформації І/5, де І – струм на первинній обмотці трансформатора, діапазон допустимих значень І визначається таким чином: І_min = 5 I_Н , а Іmax = 10 I_Н.

Наприклад, при номінальному струмі на навантаженні I_Н = 18 А:

Отже, із стандартного ряду трансформаторів струму підходять 100/5 А і 150/5 А.

Рівень захисного відключення задається зовнішнім змінним резистором номіналом 100 кОм. При перевищенні заданого порогу пристрій контролю струму формує сигнал аварійного виключення, при якому блокується робота пристрою обробки сигналів і світлодіоди, що відображають рівень керуючого сигналу, починають мигати. Зняття аварійного стану відбувається при виключенні живлення приладу. Використання захисту по струму при роботі приладу не є обов'язковим.

Імпульсний трансформатор має дві вторинні обмотки, що дозволяє підключати до кожного каналу приладу або симістор, або два тиристори (рис. 15).

Для регулювання потужності на навантаженні прилад дозволяє формувати керуючі тиристорами або симісторами сигнали двома методами: фазовим або по числу напівперіодів. Вибір методу керування залежить від інерційності навантаження.

При фазовому методі залежно від величини сигналу на вході БУСТ міняється кут відкриття симістора або тиристора (рис. 10). Прилад забезпечує 256 рівнів зміни кута відкриття напівпровідників на один напівперіод, що дозволяє плавно змінювати напругу на навантаженні. Фазовий метод використовується для керування малоінерційними об'єктами, що швидко реагують на зміну напруги на нагрівачі, а також при керуванні освітленням. Проте такий метод керування не може захистити живлячу мережу від перешкод, оскільки перемикання напівпровідникових елементів відбувається не при нульовому значенні мережевої напруги.

Рис. 10. Часові діаграми фазового методу керування	Рис. 11. Часові діаграми методу керування по числу напівперіодів

Метод керування по числу напівперіодів дозволяє значно зменшити рівень перешкод в електромережі за рахунок включення і відключення навантаження у момент переходу мережевої напруги через нуль (рис. 11). Проте період надходження керуючих сигналів з БУСТ складає 256 цілих напівперіодів коливань мережевої напруги, або 2,56 с, тому цей метод застосовний тільки для інерційних навантажень. Кількість напівперіодів на виході БУСТ, а отже потужність на нава-нтаженні, залежить від величини сигналу на вході БУСТ: при максимальному рівні сигналу (100%) на навантаження подаються всі 256 напівперіодів, при 50% – 128, при мінімальному рівні напівпровідникові елементи закриті і на наванта¬ження напруга не поступає.

Прилад дозволяє плавно досягати заданої потужності і тим самим уникати різких перевантажень мережі живлення. При включенні приладу або при стрибкоподібній зміні керуючого сигналу потужність в навантаженні зростає не стрибкоподібно, а повільно. При стрибкоподібній зміні рівня сигналу на вході БУСТ потужність на навантаженні змінюється зі швидкістю 20% у секунду, а час зміни потужності на навантаженні від мінімального значення до максимального складає 5 секунд.

БУСТ може застосовуватися для автоматичного регулювання потужності активного навантаження. Для цього на керуючий вхід БУСТ подають вихідний сигнал регулятора (рис. 12).

Рис. 12. Приклад підключення регулятора ТРМ-10 до БУСТ

Прилад має функцію блокування, що дозволяє організувати аварійне або технологічне відключення навантаження. На вхід приладу «блокування» подається зовнішній сигнал з одного з пристроїв: TTL-рівня, «сухого» контакту (кнопки, тумблера, геркона, контакта реле), транзистора n-p-n типу. При знятті сигналу блокування прилад плавно повертається на заданий рівень потужності (рис. 13).

Рис. 13. Схеми підключення елементів «блокування»

Рис. 14. Схеми підключення навантаження

Рис. 15. Схема підключення пристрою

Технічні характеристики БУСТ:

• напруга живлення, 220 В 50 Гц;
• допустиме відхилення номінальної напруги, –15...+10%.
• регульований електронний ключ.

Входи

• входи керування 0...10 В, 0...5 мА, 0...20 мА, 4...20 мА;
• максимальний допустимий перетворений трансформатором струм навантаження на входах контролю, 2 А;
• напруга низького рівня на вході «блокування», 0...0,4 В;
• напруга високого рівня на вході «блокування», 2,4...5 В.

Виходи

• максимальний імпульсний струм керування, не більше 300 мА;
• амплітуда керуючих імпульсів, 12 В;
• число використовуваних фаз, 1...3.

Корпус

• габаритні розміри корпусу 145×105×55 мм;
• ступінь захисту корпусу IP20.

Умови експлуатації

• температура навколишнього повітря, +5...+50 °С;
• відносна вологість повітря (при +35 ºС), не більше 80%.

Контрольні питання

1. Поясніть призначення тиристорних регуляторів напруги.
2. Поясніть, на якому принципі базується робота тиристорних регуляторів напруги.
3. Поясніть, за рахунок чого форма вихідної напруги тиристорного регулятора відрізняється від синусоїди і до чого це приводить
4. Які елементи застосовуються у якості силових ключів у регуляторах напруги?
5. Наведіть схему силового кола однофазного тиристорного регулятора і поясніть принцип його роботи за допомогою часової діаграми напруг і струмів.
6. Що таке кут керування тиристора α?
7. Як буде виглядати крива вихідної напруги однофазного тиристорного регулятора, якщо кут керування α дорівнює 0°, 90°, 180°?
8. Як буде змінюватися середнє значення напруги за півперіоду, якщо кут керування α тиристора буде змінюватися від 0° до 180°?
9. Що таке кут провідності тиристора λ?
10. Чим відрізняється робота тиристорного регулятора напруги при живленні активного і активно-індуктивного навантаження?
11. За допомогою яких промислових пристроїв можна регулювати одно- та трифазну напругу живлення?
12. Назвіть види СІФК.
13. Наведіть структурну схему і поясніть принцип роботи СІФК з горизонтальним керуванням.
14. Поясніть, у чому полягає принцип дії СІФК з вертикальним керуванням.
15. Наведіть структурну схему СІФК з вертикальним керуванням і поясніть призначення її вузлів.
16. Які переваги мають тиристорні регулятори напруги у порівнянні з автотран¬сформаторами?

НАГОРУ