Трехфазный и однофазный тиристорный регулятор мощности — принцип работы, схемы

Тиристорные регуляторы мощности применяются как в быту (в аналоговых паяльных станциях, электронагревательных приборах и т.д.), так и на производстве (например, для запуска мощных силовых установок). В бытовых приборах, как правило, устанавливаются однофазные регуляторы, в промышленных установках чаще применяются трехфазные.

Эти устройства представляют собой электронную схему, работающую по принципу фазового регулирования, для управления мощностью в нагрузке (подробнее об этом методе будет рассказано ниже).

Принцип работы фазового регулирования

Принцип регулирования данного типа заключается в том, что импульс, открывающий тиристор, имеет определенную фазу. То есть, чем дальше он располагается от конца полупериода, тем большей амплитуды будет напряжение, поступающее на нагрузку. На рисунке ниже мы видим обратный процесс, когда импульсы поступают практически под окончание полупериода.

Минимальная мощность

На графике показано время, когда тиристор закрыт t1 (фаза управляющего сигнала), как видите он открывается практически под конец полупериода синусоиды, в результате амплитуда напряжения минимальна, а следовательно, мощность в подключенной к прибору нагрузке будет незначительной (близкой к минимальной). Рассмотрим случай, представленный на следующем графике.

Половинная мощность

Здесь мы видим, что импульс, открывающий тиристор, приходится на середину полупериода, то есть регулятор будет выдавать половинную мощность от максимально возможной. Работа на мощности, близкой к максимальной, отображена на следующем графике.

Мощность, близкая к максимальной

Как видно из графика, импульс приходится на начало синусоидального полупериода. Время, когда тиристор находится в закрытом состоянии (t3) — незначительное, поэтому в данном случае мощность в нагрузке приближается к максимальной.

Заметим, что трехфазные регуляторы мощности работают по такому же принципу, но они управляют амплитудой напряжения не в одной, а сразу в трех фазах.

Такой метод регулирования прост в реализации и позволяет точно изменять амплитуду напряжения в диапазоне от 2 до 98 процентов от номинала. Благодаря этому становится возможным плавное управление мощностью электроустановок. Основной недостаток устройств данного типа — создание высокого уровня помех в электросети.

В качестве альтернативы, позволяющей сократить помехи, можно переключать тиристоры, когда синусоида переменного напряжения проходит через ноль. Наглядно работу такого регулятора мощности можно посмотреть на следующем графике.

Переключение тиристора через «ноль»

Обозначения:

• A – график полуволн переменного напряжения;
• B – работа тиристора при 50% от максимальной мощности;
• C – график, отображающий работу тиристора при 66%;
• D – 75% от максимума.

Как видно из графика, тиристор «отрезает» полуволны, а не их части, что минимизирует уровень помех. Недостаток такой реализации – невозможность плавного регулирования, но для нагрузки с большой инерционностью (например, различных нагревательных элементов) этот критерий не основной.

Видео: Испытания тиристорного регулятора мощности

Схема простого регулятора мощности

Регулировать мощность паяльника можно используя для этой цели аналоговые или цифровые паяльные станции. Последние стоят достаточно дорого, и собрать их, не имея опыта, не просто. В то время как аналоговые устройства (являющиеся по сути регуляторами мощности) не составит труда сделать своими руками.

Приведем несложную схему прибора на тиристорах, благодаря которому можно регулировать мощность паяльника.

Простейший регулятор

Радиоэлементы, обозначенные на схеме:

• VD – КД209 (или близкий ему по характеристикам)
• VS- KУ203В или его аналог;
• R₁ – сопротивление с номиналом 15кОм;
• R₂ – резистор переменного типа 30кОм;
• С –емкость электролитического типа ч номиналом 4,7мкФ и напряжением от 50В;
• R_n – нагрузка (в нашем случае в качестве нее выступает паяльник).

Данное устройство регулирует только положительный полупериод, поэтому минимальная мощность паяльника будет вполовину меньше номинальной. Управляется тиристор через цепь, включающую в себя два сопротивления и емкость. Время зарядки конденсатора (оно регулируется сопротивлением R₂) влияет на длительность «открытия» тиристора. Ниже показан график работы устройства.

Влияние сопротивления R2 на работу регулятора

Пояснение к рисунку:

• график A – показывает синусоиду переменного напряжения, поступающего на нагрузку Rn (паяльник) при сопротивлении R2 близком к 0 кОм;
• график B – отображает амплитуду синусоиды поступающего на паяльник напряжения при сопротивлении R2 равном 15 кОм;
• график C, как видно из него, при максимальном сопротивлении R2 (30 кОм) время работы тиристора (t₂) становится минимальным, то есть паяльник работает с мощностью примерно около 50% от номинальной.

Схема устройства довольно простая, поэтому собрать ее самостоятельно смогут даже те, кто не очень хорошо разбирается в схемотехнике. Необходимо предупредить, что при работе данного прибора в его цепи присутствует опасное для жизни человека напряжение, поэтому все его элементы должны быть надежно заизолированы.

Как уже описывалось выше, устройства, работающие по принципу фазового регулирования, являются источником сильных помех в электросети. Существует два варианта выхода из подобной ситуации:

• • подавать напряжение через сглаживающий фильтр (его схему несложно найти), самый простой вариант реализации – ферритовое кольцо с обмотанным вокруг него сетевым кабелем; Фильтр на основе ферритового кольца от кабеля монитора
  • собрать устройство, не создающее помехи, приведем пример такой схемы.

Регулятор работающий без помех

Ниже представлена схема регулятора мощности, не создающего помехи, поскольку он не «обрезает» полуволны, а «отрезает» их определенное количество. Принцип работы такого устройства мы рассматривали в разделе «Принцип работы фазового регулирования», а именно, переключение тиристора через ноль.

Также как и в предыдущей схеме, регулировка мощности происходит в диапазоне от 50 процентов до величины близкой к максимальной.

Регулятор, не создающий помехи

Перечень используемых в приборе радиоэлементов, а также варианты их замены:

Тиристор VS – КУ103В;

Диоды:

VD₁-VD₄ – КД209 (в принципе можно использовать любые аналоги, которые допускают величину обратного напряжения более 300В, а ток свыше 0,5А); VD₅ и VD₇ – КД521 (допускается ставить любой диод импульсного типа); VD₆ – KC191 (можно использовать аналог с напряжением стабилизации равным 9В)

Конденсаторы:

С₁ – электролитического типа с емкостью 100мкФ, рассчитанный на напряжение не менее 16В; С₂ – 33Н; С₃ – 1мкФ.

Резисторы:

Микросхемы:

DD1 — K176 ЛЕ5 (или ЛА7); DD2 –K176TM2. В качестве альтернативы можно использовать логику серии 561;

R_n – паяльник, подключенный в качестве нагрузки.

Если при сборке тиристорного регулятора мощности не было допущено ошибок, то устройство начинает работать сразу после включения, настройка для него не требуется. Имея возможность измерить температуру жала паяльника, можно сделать градацию шкалы для резистора R₅.

В том случае, когда устройство не заработало, рекомендуем проверить правильность распайки радиоэлементов (не забудьте перед этим отключить его от сети).

Тиристорный регулятор мощности с плавным пуском на 1000 Вт

Предыстория создания девайса такова. Задумал я как то покрасить крыло своего автомобиля. Приехал в гараж, подготовился. Так как погода была прохладная, то для быстрой сушки крыла его нужно было нагреть. Из подручных средств, для бесконтактной сушки, я не нашёл ни чего лучше чем прожектор ПКН мощностью 1 кВт. Однако его лампа выдерживала 10-15 включений. А такую лампу в моём городе найти не такая уж легкая задачка. По этой причине я вооружился давно знакомой мне микросхемкой К1182ПМ1, двумя завалявшимися тиристорами и сделал устройство для плавного включения ПКН. Сначала было собрано устройство без внешних органов управления. Но позднее я подумал, что такую мощную штуковину можно использовать не только как плавный пуск, но и как регулятор мощности для устройств, потребляющих чисто активную нагрузку. Например, электронагреватель. И тогда было принято решение «прикрутить» к устройству ещё и переменный резистор для ручной регулировки мощности. Получалось следующее.

Схема устройства проста.

220 В последовательно подключается предохранитель на 8 А, нагрузка в виде лампы, и 2 тиристора Т142-80-4-2 включенные встречно параллельно. Для того чтобы через цепи управления каждого из тиристоров, в нерабочий полупериод, не протекал ток управления, используется развязка из диодов КД411ВМ. Это гарантирует правильную работу тиристоров во время рабочего полупериода сетевого напряжения.

Резистор 600 Ом используется для ограничения тока управления. А при помощи регулировочного резистора 68 кОм меняется мощность, отдаваемая в нагрузку (в моём случае в качестве нагрузки выступает прожектор).

Принцип работы устройства можно понять из рисунка. Для регулировки мощности изменяется угол открытия тиристоров. Чем больше угол α, тем меньшая часть синусоиды пропускается в нагрузку. Когда α = 180 0 оба тиристора полностью закрыты и мощность в нагрузку не передаётся. Когда α = 0 0 в нагрузку поступает вся синусоида полностью и соответственно передаётся полная мощность. В первый момент после включения нагрузки угол α всегда равен 180 0 . Далее он начинает плавно уменьшаться до значения соответствующего текущему положению регулировочного резистора. За счёт этого и достигается плавный пуск.

Замечу, что данное устройство можно использовать только с активной нагрузкой, так как в случае реактивной нагрузки используются несколько иные способы регулирования мощности.

Максимально допустимый средний ток в открытом состоянии для данных тиристоров составляет 80 А. Не трудно подсчитать, что максимальная мощность, которую можно через них пропустить, равна Р=220*80=17600 Вт. Однако это теоретическое значение, которое я не проверял на практике и поэтому не возьмусь утверждать что система выдержит мощность в 17 кВт. На практике мной подключалась нагрузка в 1 кВт. При этом радиаторы совершенно не грелись. Такие большие радиаторы я применил только по той причине, что тиристоры уже были прикручены к ним. Поэтому для данной конструкции подойдут и радиаторы, гораздо меньшего размера.

На этой фотографии к устройству ещё не подключена розетка и сетевой шнур.

Схема тиристорного регулятора больших выпрямленных токов

Испытанная временем схема регулирования тока мощных потребителей отличается простотой в наладке, надежностью в эксплуатации и широкими потребительскими возможностями. Она хорошо подходит для управления режимом сварки, для пуско-зарядных устройств и для мощных узлов автоматики.

Принципиальная схема

При питании мощных нагрузок постоянным током часто применяется схема (рис.1) выпрямителя на четырех силовых вентилях. Переменное напряжение подводится к одной диагонали «моста», выходное постоянное (пульсирующее) напряжение снимается с другой диагонали. В каждом полупериоде работает одна пара диодов (VD1-VD4 или VD2-VD3).

Это свойство выпрямительного «моста» существенно: суммарная величина выпрямленного тока может достигать удвоенной величины предельного тока для каждого диода. Предельное напряжение диода не должно быть ниже амплитудного входного напряжения.

Поскольку класс напряжения силовых вентилей доходит до четырнадцатого (1400 В), с этим для бытовой электросети проблем нет. Существующий запас по обратному напряжению позволяет использовать вентили с некоторым перегревом, с малыми радиаторами (не злоупотреблять!).

Рис. 1. Схема выпрямителя на четырех силовых вентилях.

Внимание! Силовые диоды с маркировкой «В» проводят ток, «подобно» диодам Д226 (от гибкого вывода к корпусу), диоды с маркировкой «ВЛ» — от корпуса к гибкому выводу.

Использование вентилей различной проводимости позволяет выполнить монтаж всего на двух двойных радиаторах. Если же с корпусом устройства соединить «корпуса» вентилей «ВЛ» (выход «минус»), то останется изолировать всего один радиатор, на котором установлены диоды с маркировкой «В». Такая схема проста в монтаже и «наладке», но возникают трудности, если приходится регулировать ток нагрузки.

Если со сварочным процессом все понятно (присоединять «балласт»), то с пусковым устройством возникают огромные проблемы. После пуска двигателя огромный ток не нужен и вреден, поэтому необходимо его быстро отключить, так как каждое промедление укорачивает срок службы батареи (нередко батареи взрываются!).

Очень удобна для практического исполнения схема, показанная на рис.2, в которой функции регулирования тока выполняют тиристоры VS1, VS2, в этот же выпрямительный мост включены силовые вентили VD1, VD2. Монтаж облегчается тем, что каждая пара «диод-тиристор» крепится на своем радиаторе. Радиаторы можно применить стандартные (промышленного изготовления).

Другой путь — самостоятельное изготовление радиаторов из меди, алюминия толщиной свыше 10 мм. Для подбора размеров радиаторов необходимо собрать макет устройства и «погонять» его в тяжелом режиме. Неплохо, если после 15-минутной нагрузки корпуса тиристоров и диодов не будут «обжигать» руку (напряжение в этот момент отключить!).

Корпус устройства необходимо выполнить так, чтобы обеспечивалась хорошая циркуляция нагретого устройством воздуха. Не помешает установка вентилятора, который «помогает» прогонять воздух снизу вверх. Удобны вентиляторы, устанавливаемые в стойках с компьютерными платами либо в «советских» игровых автоматах.

Рис. 2. Схема регулятора тока на тиристорах.

Возможно выполнение схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах (рис.3). Нижняя (по схеме) пара тиристоров VS3, VS4 запускается импульсами от блока управления.

Импульсы приходят одновременно на управляющие электроды обоих тиристоров. Такое построение схемы «диссонирует» с принципами надежности, но время подтвердило работоспособность схемы («сжечь» тиристоры бытовая электросеть не может, поскольку они выдерживают импульсный ток 1600 А).

Тиристор VS1 (VS2) включен как диод — при положительном напряжении на аноде тиристора через диод VD1 (или VD2) и резистор R1 (или R2) на управляющий электрод тиристора будет подан отпирающий ток. Уже при напряжении в несколько вольт тиристор откроется и до окончания полуволны тока будет проводить ток.

Второй тиристор, на аноде которого было отрицательное напряжение, не будет запускаться (это и не нужно). На тиристоры VS3 и VS4 из схемы управления приходит импульс тока. Величина среднего тока в нагрузке зависит от моментов открывания тиристоров — чем раньше приходит открывающий импульс, тем большую часть периода соответствующий тиристор будет открыт.

Рис. 3. Схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах.

Открывание тиристоров VS1, VS2 через резисторы несколько «притупляет» схему: при низких входных напряжениях угол открытого состояния тиристоров оказывается малым — в нагрузку проходит заметно меньший ток, чем в схеме с диодами (рис.2).

Таким образом, данная схема вполне пригодна для регулировки сварочного тока по «вторичке» и выпрямления сетевого напряжения, где потеря нескольких вольт несущественна.

Эффективно использовать тиристорный мост для регулирования тока в широком диапазоне питающих напряжений позволяет схема, показанная на рис.4,

Устройство состоит из трех блоков:

1. силового;
2. схемы фазоимпульсного регулирования;
3. двухпредельного вольтметра.

Трансформатор Т1 мощностью 20 Вт обеспечивает питание блока управления тиристорами VS3 и VS4 и открывание «диодов» VS1 и VS2. Открывание тиристоров внешним блоком питания эффективно при низком (автомобильном) напряжении в силовой цепи, а также при питании индуктивной нагрузки.

Рис. 4. Тиристорный мост для регулировки тока в широком диапазоне.

Рис. 5. Принципиальная схема блока управления тиристорами.

Открывающие импульсы тока с 5-вольтовых обмоток трансформатора подводятся в противофазе к управляющим электродам VS1, VS2. Диоды VD1, VD2 пропускают к управляющим электродам только положительные полуволны тока.

Если фазировка открывающих импульсов «подходит», то тиристорный выпрямительный мост будет работать, иначе тока в нагрузке не будет.

Этот недостаток схемы легко устраним: достаточно повернуть наоборот сетевую вилку питания Т1 (и пометить краской, как нужно подключать вилки и клеммы устройств в сеть переменного тока). При использовании схемы в пуско-зарядном устройстве заметно увеличение отдаваемого тока по сравнению со схемой рис.3.

Очень выгодно наличие слаботочной цепи (сетевого трансформатора Т1). Разрывание тока выключателем S1 полностью обесточивает нагрузку. Таким образом, прервать пусковой ток можно маленьким концевым выключателем, автоматическим выключателем или слаботочным реле (добавив узел автоматического отключения).

Это очень существенный момент, поскольку разрывать сильноточные цепи, требующие для прохождения тока хорошего контакта, намного труднее. Мы не случайно вспомнили о фазировке трансформатора Т1. Если бы регулятор тока был «встроен» в зарядно-пусковое устройство или в схему сварочного аппарата, то проблема фазировки была бы решена в момент наладки основного устройства.

Наше устройство специально выполнено широкопрофильным (как пользование пусковым устройством определяется сезоном года, так и сварочные работы приходится вести нерегулярно). Приходится управлять режимом работы мощной электродрели и питать нихромовые обогреватели.

На рис.5 показана схема блока управления тиристорами. Выпрямительный мостик VD1 подает в схему пульсирующее напряжение от 0 до 20 В. Это напряжение через диод VD2 подводится к конденсатору С1, обеспечивается постоянное напряжение питания мощного транзисторного «ключа» на VT2, VT3.

Пульсирующее напряжение через резистор R1 подводится к параллельно соединенным резистору R2 и стабилитрону VD6. Резистор «привязывает» потенциал точки «А» (рис.6) к нулевому, а стабилитрон ограничивает вершины импульсов на уровне порога стабилизации. Ограниченные импульсы напряжения заряжают конденсатор С2 для питания микросхемы DD1.

Эти же импульсы напряжения воздействуют на вход логического элемента. При некотором пороге напряжения логический элемент переключается. С учетом инвертирования сигнала на выходе логического элемента (точка «В») импульсы напряжения будут кратковременными -около момента нулевого входного напряжения.

Рис. 6. Диаграмма импульсов.

Следующий элемент логики инвертирует напряжение «В», поэтому импульсы напряжения «С» имеют значительно большую длительность. Пока действует импульс напряжения «С», через резисторы R3 и R4 происходит заряд конденсатора C3.

Экспоненциально нарастающее напряжение в точке «Е», в момент перехода через логический порог, «переключает» логический элемент. После инвертирования вторым логическим элементом высокому входному напряжению точки «Е» соответствует высокое логическое напряжение в точке «F».

Двум различным величинам сопротивления R4 соответствуют две осциллограммы в точке «Е»:

• меньшее сопротивление R4 — большая крутизна — Е1;
• большее сопротивление R4 — меньшая крутизна — Е2.

Следует обратить внимание также на питание базы транзистора VT1 сигналом «В», во время снижения входного напряжения до нуля транзистор VT1 открывается до насыщения, коллекторный переход транзистора разряжает конденсатор С3 (происходит подготовка к зарядке в следующем полупериоде напряжения). Таким образом, логический высокий уровень появляется в точке «F» раньше или позже, в зависимости от сопротивления R4:

• меньшее сопротивление R4 — раньше появляется импульс — F1;
• большее сопротивление R4 — позже появляется импульс — F2.

Усилитель на транзисторах VT2 и VT3 «повторяет» логические сигналы -точка «G». Осциллограммы в этой точке повторяют F1 и F2, но величина напряжения достигает 20 В.

Через разделительные диоды VD4, VD5 и ограничительные резисторы R9 R10 импульсы тока воздействуют на управляющие электроды тиристоров VS3 VS4 (рис.4). Один из тиристоров открывается, и на выход блока проходит импульс выпрямленного напряжения.

Меньшему значению сопротивления R4 соответствует большая часть полупериода синусоиды — H1, большему — меньшая часть полупериода синусоиды — H2 (рис.4). В конце полупериода ток прекращается, и все тиристоры закрываются.

Рис. 7. Схема автоматического двухпредельного вольтметра.

Таким образом, различным величинам сопротивления R4 соответствует различная длительность «отрезков» синусоидального напряжения на нагрузке. Выходную мощность можно регулировать практически от 0 до 100%. Стабильность работы устройства определяется применением «логики» — пороги переключения элементов стабильны.

Конструкция и налаживание

Если ошибок в монтаже нет, то устройство работает стабильно. При замене конденсатора С3 потребуется подбор резисторов R3 и R4. Замена тиристоров в силовом блоке может потребовать подбора R9, R10 (бывает, даже силовые тиристоры одного типа резко отличаются по токам включения — приходится менее чувствительный отбраковывать).

Измерять напряжение на нагрузке можно каждый раз «подходящим» вольтметром. Исходя из мобильности и универсальности блока регулирования, мы применили автоматический двухпредельный вольтметр (рис.7).

Измерение напряжения до 30 В производится головкой PV1 типа М269 с добавочным сопротивлением R2 (регулируется отклонение на всю шкалу при 30 В входного напряжения). Конденсатор С1 необходим для сглаживания напряжения, подводимого к вольтметру.

Для «загрубления» шкалы в 10 раз служит остальная часть схемы. Через лампу накаливания (бареттер) HL3 и подстроечный резистор R3 запитывается лампа накаливания оптопары U1, стабилитрон VD1 защищает вход оптрона.

Большое входное напряжение приводит к снижению сопротивления резистора оптопары от мегаом до ки-лоом, транзистор VT1 открывается, реле К1 срабатывает. Контакты реле при этом выполняют две функции:

• размыкают подстроечное сопротивление R1 — схема вольтметра переключается на высоковольтный предел;
• вместо зеленого светодиода HL2 включается красный светодиод HL1.

Красный, более заметный, цвет специально выбран для шкалы больших напряжений.

Внимание! Подстройка R1(шкала 0. 300) производится после подстройки R2.

Питание к схеме вольтметра взято из блока управления тиристорами. Развязка от измеряемого напряжения осуществлена с помощью оптрона. Порог переключения оптрона можно установить немного выше 30 В, что облегчит подстройку шкал.

Диод VD2 необходим для защиты транзистора от всплесков напряжения в момент обесточивания реле. Автоматическое переключение шкал вольтметра оправдано при использовании блока для питания различных нагрузок. Нумерация выводов оптрона не дана: с помощью тестера нетрудно различить входные и выходные выводы.

Сопротивление лампы оптрона равно сотням ом, а фоторезистора — мегаом (в момент измерения лампа не запитана). На рис.8 показан вид устройства сверху (крышка снята). VS1 и VS2 установлены на общем радиаторе, VS3 и VS4 — на отдельных радиаторах.

Резьбу на радиаторах пришлось нарезать под тиристоры. Гибкие выводы силовых тиристоров обрезаны, монтаж осуществлен более тонким проводом.

Рис. 8. Вид устройства сверху.

На рис.9 показан вид на лицевую панель устройства. Слева расположена ручка регулирования тока нагрузки, справа — шкала вольтметра. Около шкалы закреплены светодиоды, верхний (красный) расположен около надписи «300 В».

Клеммы устройства не очень мощные, так как применяется оно для сварки тонких деталей, где очень важна точность поддержания режима. Время пуска двигателя небольшое, поэтому ресурса клеммных соединений хватает.

Рис. 9. Вид на лицевую панель устройства.

Верхняя крышка крепится к нижней с зазором в пару сантиметров для обеспечения лучшей циркуляции воздуха.

Устройство легко поддается модернизации. Так, для автоматизации режима запуска двигателя автомобиля не нужны дополнительные детали (рис.10).

Необходимо между точками «D» и «E» блока управления включить нормально замкнутую контактную группу реле К1 из схемы двухпредельного вольтметра. Если перестройкой R3 не удастся довести порог переключения вольтметра до 12. 13 В, то придется заменить лампу HL3 более мощной (вместо 10 установить 15 Вт).

Пусковые устройства промышленного изготовления настраиваются на порог включения даже 9 В. Мы рекомендуем настраивать порог переключения устройства на более высокое напряжение, так как еще до включения стартера аккумулятор немного подпитывается током (до уровня переключения). Теперь пуск производится немного «подзаряженным» аккумулятором вместе с автоматическим пусковым устройством.

Рис. 10 . Автоматизация режима запуска двигателя автомобиля.

По мере увеличения бортового напряжения автоматика «закрывает» подачу тока от пускового устройства, при повторных пусках в нужные моменты подпитка возобновляется. Имеющийся в устройстве регулятор тока (скважности выпрямленных импульсов) позволяет ограничить величину пускового тока.

Н.П. Горейко, В.С. Стовпец. г. Ладыжин. Винницкая обл. Электрик-2004-08.