Тиристорный регулятор

Тиристорный регулятор – это устройство для подстройки мощности передаваемой электрической энергии, использующее в своей конструкции тиристорный силовой ключ. Это используется для изменения скорости вращения двигателей, силы светимости приборов иллюминации и многих других целей.

Общие сведения

Ниже будет показано, что все современные технические решения образованы по крайней мере в начале второй половины XX века. Вот почему глупо считать учебники того времени устаревшими. В связи с чем никак нельзя обойти благодарностью Шубенко В.А., Браславского И.Я. и остальной коллектив авторов, приготовивших для наших читателей столь замечательный материал.

Тиристоры так часто используются в регуляторах, что в общем-то давно уже вытеснили из этой области транзисторы. Это объясняется высокими их эксплуатационными и энергетическими характеристиками в роли управляемых вентилей. Основным преимуществом является плавность настройки параметров. Хотя в ранних моделях и современных это реализуется принципиально иными путями. В результате сам привод характеризуется целым рядом положительных качеств, а именно:

  1. Высокий КПД.
  2. Отличное быстродействие.
  3. Резко очерченная форма управляющего сигнала.
  4. Дешевизна.
  5. Простота.
  6. Небольшие размеры.

Тиристорные регуляторы сегодня могут быть найдены буквально везде. В стиральных машинах они изменяют плавно скорость вращения вала путём отсечки тока, в кухонных комбайнах по величине искрения подстраивают потребляемую мощность для стабилизации оборотов. Ранее тиристорные регуляторы применялись только для асинхронных двигателей, преимущественно в паре с короткозамкнутым ротором, но сегодня принципиально новые технические решения намного раздвинули границы этой отрасли. Уже в 60-е годы эти схемы применялись по двум направлениям:

  • Настройка амплитуды питающего напряжения.
  • Преобразование частоты питающего напряжения.

Первая методика является полностью универсальной и годится для абсолютного большинства двигателей вообще. Вторая же имеет свои ограничения и на современном этапе в бытовых приборах встречается крайне редко, отвоевав для себя сегмент среди промышленных применений. Что касается домашнего оборудования, то нынче применяется иная методика – отсечка тока (фазовый метод). Часть периода ключ пропускает переменное напряжение, а в остальное время закрывается. Такой режим характеризуется минимальными затратами энергии при приемлемых характеристиках.

Типичная схема использования

В большинстве случаев схема применения тиристорного регулятора остаётся прежней, мало меняющейся с течением времени:

  1. Программные установки (ПУ) в виде кода закладываются в память арифметического устройства (АУ) электронного блока. В стиральной машине это самая дорогая часть. Настолько, что замена её зачастую бывает нецелесообразной.
  2. Тиристорный регулятор служит вводным устройством (ВУ), куда поступает управляющий сигнал.
  3. Изменённое напряжение воздействует на сервисный привод (СП), обмотки двигателя, коллектор и пр. Линия обратной связи показывает, что малая нестабильность может быть скомпенсирована непосредственно без участия центрального процессора. Об этом уже сказано выше, когда говорилось про величину искрения.
  4. Механизм (М) отрабатывает команды. На валу обычно стоит централизованный датчик положения (ЦДП), по которому процессор однозначно понимает, что происходит в результате подачи команд. При необходимости алгоритм тут же корректируется.

До тиристорных регуляторов использовались генераторы с непосредственным управлением, либо ртутные выпрямители, характеристики которых также было легко изменять. Но! Все эти устройства работали лишь в паре с коллекторными двигателями. Следовательно, простота, дешевизна, неприхотливость асинхронных не были востребованы до того, как появились тиристорные регуляторы.

Схема фазного управления двигателем

На рисунке представлена простейшая тиристорная схема для управления движением вала. Через ветки проходят импульсы той и другой полярности. При необходимости тиристор можно запереть. В зависимости от совокупности управляющих сигналов можно изменять порядок чередования фаз, что обеспечивает возможность реверсирования вала. Первая схема решает только эту задачу, тогда как вторая одновременно позволяет задать угол отсечки.

Читайте также:  Преобразователь напряжения

Безусловным плюсом такого технического решения является возможность безболезненного отключения двигателя от сети на период торможения. Этим блокируется возврат энергии в сеть. Становится возможным режим противовключения. При открытых тиристорах 1 и 7 на одну и ту же обмотку приложены все напряжения. Как результат, образуется значительная постоянная составляющая. Продуцируемое ею магнитное поле служит интенсивному динамическому торможению вала, обусловленному потокосцеплением. Эта схема по другому называется в литературе двухпульсным питанием в сети с изолированной нейтралью.

Интенсивность тормозящего магнитного поля может регулироваться введением в фазу А дополнительного резистора, который не участвует в работе, но только в останове. При этом тиристоры 9 и 10 полностью закрыты, так что току не остаётся другого пути. Это нужно для того, чтобы избежать перегрева и отдачи большого пика реактивной мощности в цепь. Управляющие цепи для упрощения на рисунке не показаны.

Поскольку тиристоры обладают конечным временем переключения, то имеется возможность создания ситуации, когда один ключ ещё работает, а второй уже включился. Что приведёт немедленно к межфазному короткому замыканию. В результате этого оба тиристора наверняка выйдут из строя из-за перегрева, поскольку полупроводниковый p-n-переход теряет свои свойства необратимо в этом случае. Кремниевые приборы предпочтительнее, потому что выдерживают нагрев почти до 150 градусов Цельсия. Разумеется, силовые ключи должны быть снабжены мощными радиаторами.

В этом плане режим отсечки тока, применяемый в современных схемах, смотрится намного более привлекательным, поскольку значительную часть периода ключ отдыхает. Если брать в рассмотрение компьютерные импульсные блоки питания, то охлаждением занимается небольшой вентилятор. Без него размеры радиатора тиристорного ключа пришлось бы значительно увеличить. В современных схемах сплошь и рядом применяется широтно-импульсная модуляция, одним из методов реализации которой является отсечка тока.

Чтобы тиристоры не срабатывали одновременно, следует управляющие сигналы подавать с задержкой. Корректировка скорости на представленной схеме осуществляется чередованием режимов питания и динамического торможения. Можно догадаться, что для коллекторных двигателей это является излишним. Гораздо эффективнее менять угол отсечки для корректировки подаваемой мощности. Это одновременно и сберегает потребляемую энергию, увеличивая тем самым КПД всей установки.

Непрерывный режим питания двигателя обеспечивается выработкой управляющих импульсов согласованно с переходом напряжения через нуль. Одна из возможных схем реализации этой концепции представлена на рисунке. Её же вариант показан для управления встречно включёнными тиристорами так, чтобы избежать одновременного открытия ключей.

Фазовое управление тиристорами

Регуляция скорости вращения при помощи тиристоров с внедрением цепи обратной связи имеет ряд преимуществ. До введения подобных технических решений те же задачи решали дроссели с работой в режиме насыщения. Они отличались целым рядом недостатков:

  • Высокий нижний порог срабатывания.
  • Большие потери.
  • Низкое быстродействие.

 

Схема управления напоминает ту, что была показана выше для обеспечения динамического торможения. Единственная разница в отсутствии резистора. Впрочем, выше уже делался намёк, что представленное техническое решение вполне годится для создания нужных углов отсечки, что по сути то же самое. Исходя из опытных данных, были определены требования к управляющим импульсам:

  1. Крутой фронт.
  2. Ширина не менее 60-ти градусов.
  3. Начальный момент включения в районе 20 градусов по фазе.
Читайте также:  Компаратор напряжения

В схемах с глухозаземлённой нейтралью можно рассматривать каждую фазу по отдельности. Так, как если бы работал обычный двигатель стиральной машины в сети 220 В. В цепях с изолированной нейтралью для правильной коммутации приходится учитывать фазовый угол каждой питающей линии и включать тиристоры попарно. С изменением задержки относительно времени прохождения напряжения через нуль варьируется передаваемая мощность. При угле сдвига фаз в 135 градусов вал переходит на некий минимальный режим, соответствующий холостому ходу (без нагрузки). Это и есть верхний предел для систем фазной регулировки посредством тиристоров.

На том же самом принципе действуют и современные системы управления: пылесос, стиральная машина, кухонный комбайн и т.д. Минимальным углом отсечки для асинхронных двигателей считается 20 градусов. Согласно очевидным соображениям, сдвиг фаз схемы управления не должен зависеть от колебаний входного напряжения. Проще всего это реализуется за счёт так называемого вертикального принципа. Примеры таких конструкций можно увидеть на рисунке.

Конденсатор С1 служит для создания пилообразного напряжения. Начало импульсов синхронизировано с точкой перехода потенциала питания через нуль. Длина зуба достигает 160 градусов (почти половина периода), что и нужно в нашем случае, поскольку верхний порог регулирования составляет 135. Измерение текущего состояния системы производится по мостовой схеме. В нужный момент открывается ключ, формируя импульс, запускающий блокинг-генератор.

Трансформатор Тр1 питается от линии трёхфазной сети. Когда на обмотке минус, отпирается диод Д1, и питание начинает идти мимо конденсатора. Так, что пилообразный импульс спадает. Заряд происходит при запертом диоде Д1. Момент открывания и, как следствие, форма зубца, регулируются подтягиванием напряжения Uy до нужного значения. Чем и занимается схема управления, оценивающая одновременно скорость вращения вала. Блокинг-генератор формирует импульс заданной длины в нужный момент времени. Чем и реализуется управления тиристорной схемой регулирования оборотов.

Оптимальное быстродействие

В системах регулирования скорости промышленного назначения обычно не бывает проблем с разгоном, который легко реализуется при помощи системы реле и многоступенчатых реостатов. А вот когда начинается торможение, то требуется вычислить момент начала подачи управляющих сигналов для снижения негативных эффектов.

Эту задачу решает специальный блок, занимающийся оценкой текущего состояния системы. Обычно опытным путём рассчитывается схема торможения, и в управляющее устройство закладывается готовый алгоритм. При помощи датчиков определяется рассогласование между текущим состоянием и моментом начала торможения. Среди данных появляются такие величины, как угловой путь вала до останова и некоторые другие.

Обратная связь по скорости нелинейна и, как правило, не может быть рассчитана, поэтому данные об этой зависимости вводятся в память вычислителя. Как результат, согласно имеющейся нагрузке и динамическим показателям системы вырабатывается команда останова в нужный момент времени. При этом учитываются следующие факторы:

  1. Отсутствие перегрева обмоток импульсом тока останова.
  2. Минимизация отдачи в сеть реактивной мощности.
  3. Продление срока эксплуатации установки.
  4. Отсутствие условий для создания аварий и механических перегрузок.

В ходе разработки системы управления тиристорным регулятором учитывается факт невосприимчивости асинхронного двигателя к воздействующим факторам на низких оборотах. В этом случае требуется хотя бы минимальное рассогласование по скорости между полями ротора и статора, обеспечивающими возникновение токов Фуко и, как следствие, наличие потокосцепления. Это и есть самое существенное ограничение асинхронных двигателей, из-за которого их применение в быту сводится к минимуму.