Фазовый метод регулирования переменного напряжения.

При фазовом методе частота выходного напряжения соответствует частоте напряжения питающей сети и регулирование осуществляется путем изменения формы кривой выходного напряжения, которая все больше отличатся от синусоидальной по мере понижения действующего значения. При этом возможно фазовое регулирование с отстающим углом управления (рис.3.45, а, б) и опережающим углом управления a (рис.3.46, а), а также двухстороннее фазовое регулирование (рис. 3.46, б). Временные диаграммы соответствуют чисто активной нагрузке.

При фазовом регулировании с отстающим углом управления запирания тиристоров осуществляется после достижения точек p, 2p, 3p, 4p... за счет изменения полярности переменного напряжения питания, т.е. в точках естественной коммутации. При способе регулирования, соответствующем (рис.3.46, а, б), запирание тиристоров необходимо производить до окончания текущей полуволны напряжения питания. Это возможно только за счет принудительной коммутации тиристоров.

Регулировочная характеристика регулятора переменного напряжения с отстающим углом управления a определяется соотношением:

 

                                  U_Н =                             (3.83)

 

где U - действующее значение переменного напряжения на входе.

Очевидно, выражение (3.83) для регулятора с опережающим углом управления отличается только тем, что изменяются пределы интегрирования от 0 до p- a, а для регулятора с двусторонним фазовым регулированием - от a до p - a. В этом случае при чисто активной нагрузке отношение напряжения U_н на выходе регулятора к действующему значению переменного напряжения на выходе U определятся выражениями:

при отстающем и опережающем углах управления

 

                                                                          (3.84)

 

при двухстороннем регулировании

 

                                                                      (3.85)

 

Регулировочные характеристики построенные по выражениям (3.84) и (3.85) приведены на рис. 3.47.

В некоторых случаях (например, в бытовых приборах) допустима замена одного из тиристоров на диод (полууправляемая схема). В этом случае действующее значение выходного напряжения может быть снижено лишь примерно до 71% полного напряжения. Естественно, ток нагрузки и ток сети имеют постоянную составляющую, что является недостатком схемы. Регулировочная характеристика полууправляемой схемы приведена на рис. 3.47 (кривая 3).

Наличие индуктивности в цепи нагрузки влияет на характер изменения напряжения и тока нагрузки (рис. 3.48, а, б). Индуктивность L_d замедляет нарастание тока i_Н при отпирании тиристоров и препятствует его уменьшению при снижении напряжения U (рис 3.48, б).

Ток i_Н продолжает протекать через нагрузку и соответствующий тиристор и после перехода напряжения питания через нуль достигает нулевого значения спустя интервал d в пределах очередной полуволны напряжения питания U. Интервал проводимости тиристоров увеличивается на угол d, т.е. l _a = p - a +d. За счет увеличения интервала проводимости тиристоров в кривой U_Н появляются дополнительные участки напряжения, являющиеся частью противоположной полуволны. Интервал паузы в кривой выходного напряжения сокращается до значения a - d. Действующее напряжение на нагрузке определяется формулой

 

                     U_Н =                             (3.86)

 

или в относительных единицах

 

                                                                 (3.87)

 

Ток в нагрузке на интервале проводимости l _a каждого тиристора находят из анализа переходного процесса, обусловленного отпиранием тиристора. В этом случае с учетом постоянного времени , где L_Н и R_Н — параметры нагрузки, а  — угол отставания, принужденной составляющей тока от напряжения питания, получим:

 

                            (3.88)

 

Очевидно, что при чисто активной нагрузке L_Н = 0, tgj = 0, j = 0 и (6) приводим к виду:

 

                                                                                              (3.89)

 

Регулировочная характеристика регулятора переменного напряжения фазовым методом регулирования при чисто индуктивной нагрузке приведена на рис. 3.49.

При активно-индуктивной нагрузке преобразователя пользуются понятием критического значения угла управления a = , при котором интервалы проводимости тока d полностью занимают интервалы a. В этом случае ток i_Н  спадает до нуля в момент времени u = p+a.

Таким образом, момент запирания одного тиристора совпадает во времени с моментом отпирания другого тиристора. Паузы в кривой тока i_H и напряжения U_H отсутствуют, и длительность проводящего состояния каждого тиристора l _a становится равной 180º. Из уравнения (3.88) при подстановке значения u= p+d, соответствующего току i_H = 0, следует, что такой режим имеет место при a = a_кр = j = d = arctg

Действующее значение напряжения на нагрузке максимально, и относительная его величина, согласно (3.87), равна единице. Кривая тока i_H становится непрерывной и синусоидальной, поскольку при a = a_кр выражение (3.88) принимает вид:

 

                                                                 (3.90)

Очевидно, аналогичный режим работы будет и при углах a_кр > a > 0. Диапазон углов a от нуля до a_кр характеризует неуправляемую зону преобразователя, где изменение угла a не вызывает изменения действующего значения напряжения на нагрузке и ее тока. Для осуществления нормальной работы схемы в этой зоне на тиристоры необходимо подавать управляющие импульсы достаточной длительности, чтобы при малых углах a < a_кр они перекрывали по длительности момент перехода тока через нуль. В противном случае отпирающий импульс для очередного тиристора закончится раньше, чем прекратится ток в параллельном тиристоре, и этот тиристор не сможет открыться. Исходя из наименьшего угла a =0, длительность отпирающих импульсов должна быть не меньше j.

На практике применяют и другие варианты схем регуляторов переменного напряжения (рис.3.50, а, б).

В схеме (рис. 3.50, а) используются дополнительные диоды V1 и V2, включенные встречно-параллельно тиристорам. При этом обратное напряжение на тиристорах в процессе работы близко к нулю, что позволяет облегчить требования к выбору тиристоров по напряжению, так как он будет проводиться только по максимальному значению прямого напряжения.Ток нагрузки соответствующего направления протекает в данной схеме через последовательно включенные тиристор и диод.

В схеме рис. 3.50, б используется только один управляемый вентиль. Ток нагрузки протекает через последовательно включенные тиристор и два накрест лежащих диода. Из-за наличия диодов на тиристоре будет действовать напряжение прямого смещения независимо от полярности полуволны напряжения U, в связи с чем запирание тиристора возможно только при чисто активной нагрузке. Оно осуществляется за счет уменьшения до нуля тока i_H в моменты перехода напряжения U через нуль. При наличии индуктивности в цепи нагрузки схема теряет способность фазового регулирования поскольку моментом перехода тока через нуль будет соответствовать напряжение прямого смещения на тиристоре, и тиристор будет находиться в состоянии непрерывной проводимости тока, независимо от угла управления a. Ток i_H будет иметь синусоидальную форму согласно зависимости (3.90).

Поскольку форма кривой выходного напряжения все больше отличается от синусоидальной по мере понижения действующего значения, важное значение имеют показатели эффективности потребления мощности от сети.

Для способа регулирования в соответствии с рис. 3.45, а, б первая гармоника тока имеет отстающий угол сдвига относительно напряжения, а в соответствии с рис. 3.46,а – опережающий. Для обоих этих способов коэффициент сдвига и коэффициент искажения формы кривой определяются соотношениями:

 

                                                      (3.91)

 

                                              (3.92)

 

При двустороннем регулировании (рис. 3.51, б) cos j(l) = l, а коэффициент искажения

 

                                 K_i =                                           (3.93)

 

Расчет коэффициента мощности с использованием (3.91) — (3.93) дает

 

                                                c = U_H / U                                                    (3.94)

 

Таким образом, в регуляторе переменного напряжения независимо от используемого метода фазового регулирования коэффициент мощности равен относительному напряжению на нагрузки и связан с ним линейной зависимостью. Одинаковый коэффициент мощности для рассматриваемых методов фазового регулирования получается за счет больших искажений кривой тока i_Н на (рис. 3.46, б), чем на (рис. 3.46, а), т.е. за счет меньшего коэффициента k_i.

Для увеличения коэффициента мощности c регулирование мощности потребителя, когда это возможно, осуществляют от группы преобразователей, питающихся от общей сети. Повышение объясняется тем, что токи основных и высших гармонических, создаваемые питающей сети от дельными преобразователями, суммируются геометрически, в связи с чем фазовый сдвиг суммарной основной гармоники по отношению к напряжению питания и суммарные амплитуды высших гармонических получаются меньшими, чем при одном преобразователе, работающем на полную мощность. Существенный эффект при этом достигается за счет комбинации рассмотренных способов регулирования.

Среднее значение анодного тока вентиля в схеме (рис. 3.47):

 

                                       I_т.ср. =  = 0,45 · I₀                                                         (3.95)

 

где I₀ — действующее значение тока нагрузки, соответствующее углу управления a, равному нулю.

При замене тиристоров на симистор среднее за период значение тока составляет

 

                                        I_с =  = 0,9 · I₀                                                       (3.96)

 

Действующее значение тока в цепях тиристоров ( необходимое для выбора аппаратов защиты ):

 

                                       I_T = I₀ /  = 0,707 · I₀                                                         (3.97)

 

Амплитудное значение напряжения, действующего на тиристоре:

 

                                              U_M = ·U_Ф                                                      (3.98)

 

где U_Ф - действующее значение фазового напряжения в сети.

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться: