Трехфазный и однофазный тиристорный регулятор мощности — принцип работы, схемы

    • 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.

    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

    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

    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

    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»

    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

    Тиристорные регуляторы мощности

    Тиристорные регуляторы мощности

    Тиристорные регуляторы мощности являются одной из самых распространенных радиолюбительских конструкций, и в этом нет ничего удивительного. Ведь всем, кто когда-нибудь пользовался обычным 25 – 40 ваттным паяльником, способность его к перегреванию даже очень известна. Паяльник начинает дымить и шипеть, потом, достаточно скоро, облуженное жало выгорает, становится черным. Паять таким паяльником уже совсем невозможно.

    И вот тут на помощь и приходит регулятор мощности, с помощью которого можно достаточно точно выставить температуру для пайки. Ориентироваться следует на то, чтобы при касании паяльником куска канифоли она дымила ну, так, средне, без шипения и брызг, не очень энергично. Ориентироваться следует на то, чтобы пайка получалась контурной, блестящей.

    Конечно, современные паяльные станции оснащены паяльниками с термостабилизацией, цифровой индикацией и регулировкой температуры нагрева, но они слишком дороги по сравнению с обычным паяльником. Поэтому, при незначительных объемах паяльных работ, вполне можно обойтись обычным паяльником с тиристорным регулятором мощности. При этом качество пайки, может быть не сразу, получится отличным, – достигается практикой.

    Другая область применения тиристорных регуляторов это управление яркостью светильников. Такие регуляторы продаются в магазинах электротоваров в виде обычных настенных выключателей с крутящейся ручкой. Но вот тут-то покупателя и подстерегает засада: современные энергосберегающие лампы (часто в литературе их называют компактные люминесцентные лампы (КЛЛ)) просто не хотят работать с такими регуляторами.

    Такой же непредсказуемый вариант получится и в случае регулирования яркости светодиодных ламп. Ну, не предназначены они для такой работы и все тут: выпрямительный мост с электролитическим конденсатором, расположенный внутри КЛЛ, просто не даст работать тиристору. Поэтому регулируемый «ночник» с таким регулятором можно создать только с использованием лампы накаливания.

    Однако, здесь следует вспомнить про электронные трансформаторы, предназначенные для питания галогенных ламп, а в радиолюбительских конструкциях в самых разных целях. В этих трансформаторах после выпрямительного моста почему-то, видимо в целях экономии, или просто для уменьшения габаритов, не устанавливается электролитический конденсатор. Именно эта «экономия» позволяет регулировать яркость ламп с помощью тиристорных регуляторов.

    Если напрячь фантазию, то можно найти еще немало областей, где требуется применение тиристорных регуляторов. Одна из таких областей это регулирование оборотов электроинструмента: дрелей, болгарок, шуроповертов, перфораторов и т.д. и т.п. Естественно, что тиристорные регуляторы находятся внутри инструментов, работающих от сети переменного тока. Смотрите – Виды и устройство регуляторов оборотов коллекторных двигателей .

    Весь такой регулятор встроен в кнопку управления и представляет собой небольших размеров коробочку, вставляемую в рукоятку дрели. Степень нажатия на кнопку определяет частоту вращения патрона. В случае выхода из строя меняется вся коробочка сразу: при всей кажущейся простоте конструкции такой регулятор абсолютно не пригоден для ремонта.

    В случае инструментов, работающих на постоянном токе от аккумуляторов, регулирование мощности производится с помощью транзисторов MOSFET методом широтно-импульсной модуляции. Частота ШИМ достигает нескольких килогерц, поэтому сквозь корпус шуроповерта можно услышать писк высокой частоты. Это пищат обмотки двигателя.

    Но в этой статье будут рассмотрены только тиристорные регуляторы мощности. Поэтому, прежде, чем рассматривать схемы регуляторов, следует вспомнить, как же работает тиристор.

    Чтобы не усложнять рассказ, не будем рассматривать тиристор в виде его четырехслойной p-n-p-n структуры, рисовать вольтамперную характеристику, а просто на словах опишем, как же он, тиристор, работает. Для начала в цепи постоянного тока, хотя в этих цепях тиристоры почти не применяются. Ведь выключить тиристор, работающий на постоянном токе достаточно сложно. Все равно, что коня на скаку остановить.

    И все же большие токи и высокие напряжения тиристоров привлекают разработчиков различной, как правило, достаточно мощной аппаратуры постоянного тока. Для выключения тиристоров приходится идти на различные усложнения схем, ухищрения, но в целом результаты получаются положительными.

    Обозначение тиристора на принципиальных схемах показано на рисунке 1.

    ТиристорТиристор на схемах

    Рисунок 1. Тиристор

    Нетрудно заметить, что по своему обозначению на схемах, тиристор очень похож на обычный диод. Если разобраться, то он, тиристор, тоже обладает односторонней проводимостью, а следовательно, может выпрямлять переменный ток. Вот только делать это он будет лишь в том случае, когда на управляющий электрод подано относительно катода положительное напряжение, как показано на рисунке 2. По старой терминологии тиристор иногда называли управляемым диодом. Покуда не подан управляющий импульс, тиристор закрыт в любом направлении.

    Подключение тиристора

    Как включить светодиод

    Здесь все очень просто. К источнику постоянного напряжения 9В (можно использовать батарейку «Крона») через тиристор Vsx подключен светодиод HL1 с ограничительным резистором R3. С помощью кнопки SB1 напряжение с делителя R1, R2 может быть подано на управляющий электрод тиристора, и тогда тиристор откроется, светодиод начинает светиться.

    Если теперь отпустить кнопку, перестать ее удерживать в нажатом состоянии, то светодиод должен продолжать светиться. Такое кратковременное нажатие на кнопку можно назвать импульсным. Повторное и даже многократное нажатие этой кнопки ничего не изменит: светодиод не погаснет, но и не станет светить ярче или тусклее.

    Нажали – отпустили, а тиристор остался в открытом состоянии. Причем, это состояние является устойчивым: тиристор будет открыт до тех пор, пока из этого состояния его не выведут внешние воздействия. Такое поведение схемы говорит об исправном состоянии тиристора, его пригодности для работы в разрабатываемом или ремонтируемом устройстве.

    Маленькое замечание

    Но из этого правила часто случаются исключения: кнопку нажали, светодиод зажегся, а когда кнопку отпустили, то погас, как, ни в чем не бывало. И в чем же тут подвох, что сделали не так? Может кнопку нажимали недостаточно долго или не очень фанатично? Нет, все было сделано достаточно добросовестно. Просто ток через светодиод оказался меньше, чем ток удержания тиристора.

    Чтобы описанный опыт прошел удачно, надо просто заменить светодиод лампой накаливания, тогда ток станет больше, либо подобрать тиристор с меньшим током удержания. Этот параметр у тиристоров имеет значительный разброс, иногда даже приходится тиристор для конкретной схемы подбирать. Причем одной марки, с одной буквой и из одной коробки. Несколько лучше с этим током у импортных тиристоров, которым в последнее время отдается предпочтение: и купить проще, и параметры лучше.

    Как закрыть тиристор

    Никакие сигналы, поданные на управляющий электрод, закрыть тиристор и погасить светодиод не смогут: управляющий электрод может только включить тиристор. Существуют, конечно, запираемые тиристоры, но их назначение несколько иное, чем банальные регуляторы мощности или простые выключатели. Обычный тиристор можно выключить лишь только прервав ток через участок анод – катод.

    Сделать это можно, как минимум, тремя способами. Во-первых, тупо отключить всю схему от батарейки. Вспоминаем рисунок 2. Естественно, что светодиод погаснет. Но при повторном подключении он сам по себе не включится, поскольку тиристор остался в закрытом состоянии. Это состояние также является устойчивым. И вывести его из этого состояния, Зажечь свет, поможет только нажатие кнопки SB1.

    Второй способ прервать ток через тиристор это просто взять и замкнуть выводы катода и анода проволочной перемычкой. При этом весь ток нагрузки, в нашем случае это всего – лишь светодиод, потечет через перемычку, а ток через тиристор будет равен нулю. После того, как перемычка будет убрана, тиристор закроется, и светодиод погаснет. При опытах с подобными схемами в качестве перемычки чаще всего используется пинцет.

    Предположим, что вместо светодиода в этой схеме будет достаточно мощная нагревательная спираль с большой тепловой инерцией. Тогда получается практически готовый регулятор мощности. Если коммутировать тиристор таким образом, что на 5 секунд спираль включена и столько же времени выключена, то в спирали выделяется 50-ти процентная мощность. Если же за время этого десятисекундного цикла включение производится лишь на 1 секунду, то совершенно очевидно, что спираль выделит только 10% тепла от своей мощности.

    Примерно с такими временными циклами, измеряемыми в секундах, работает регулировка мощности в микроволновой печи. Просто с помощью реле включается и выключается ВЧ излучение. Тиристорные регуляторы работают на частоте питающей сети, где время измеряется уже миллисекундами.

    Третий способ выключения тиристора

    Состоит в том, чтобы до нуля уменьшить напряжение питания нагрузки, а то и вовсе изменить полярность питающего напряжения на противоположную. Именно такая ситуация получается при питании тиристорных схем переменным синусоидальным током.

    При переходе синусоиды через нуль, она меняет знак на противоположный, поэтому ток через тиристор становится меньше тока удержания, а затем и вовсе равным нулю. Таким образом, проблема выключения тиристора решается как бы сама собой.

    Тиристорные регуляторы мощности. Фазовое регулирование

    Итак, дело осталось за малым. Чтобы получилось фазовое регулирование, надо просто в определенное время подать управляющий импульс. Другими словами импульс должен иметь определенную фазу: чем ближе он будет расположен к концу полупериода переменного напряжения, тем меньшая амплитуда напряжения окажется на нагрузке. Фазовый способ регулирования показан на рисунке 3.

    Фазовое регулирование

    Рисунок 3. Фазовое регулирование

    В верхнем фрагменте картинки управляющий импульс подается почти в самом начале полупериода синусоиды, фаза управляющего сигнала близка к нулю. На рисунке это время t1, поэтому тиристор открывается почти в начале полупериода, а в нагрузке выделяется мощность близкая к максимальной (если бы в цепи не было тиристоров, мощность была бы максимальной).

    Сами управляющие сигналы на этом рисунке не показаны. В идеальном варианте они представляют собой короткие положительные относительно катода импульсы, поданные в определенной фазе на управляющий электрод. В простейших схемах это может быть линейно нарастающее напряжение, получаемое при заряде конденсатора. Об этом будет рассказано несколько ниже.

    На среднем графике управляющий импульс подается в средине полупериода, что соответствует фазовому углу Π/2 или моменту времени t2, поэтому в нагрузке выделяется лишь половина максимальной мощности.

    На нижнем графике открывающие импульсы подаются очень близко к окончанию полупериода, тиристор открывается почти перед тем, как ему предстоит закрыться, по графику это время обозначено как t3, соответственно мощность в нагрузке выделяется незначительная.

    Схемы включения тиристоров

    После краткого рассмотрения принципа работы тиристоров, наверное, можно привести несколько схем регуляторов мощности. Нового здесь ничего не изобретено, все можно найти в сети Интернет или в старых радиотехнических журналах. Просто в статье приводится краткий обзор и описание работы схем тиристорных регуляторов. При описании работы схем будет обращаться внимание на то, каким образом используются тиристоры, какие существуют схемы включения тиристоров.

    Как было сказано в самом начале статьи, тиристор выпрямляет переменное напряжение как обычный диод. Получается однополупериодное выпрямление. Когда-то именно так, через диод, включались лампы накаливания на лестничных клетках: света совсем чуть, в глазах рябит, но зато лампы перегорают очень редко. То же самое получится, если светорегулятор выполнить на одном тиристоре, только появляется еще возможность регулирования уже и так незначительной яркости.

    Поэтому регуляторы мощности управляют обоими полупериодами сетевого напряжения. Для этого применяется встречно – параллельное включение тиристоров, симисторы или включение тиристора в диагональ выпрямительного моста.

    Для наглядности этого утверждения далее будут рассмотрены несколько схем тиристорных регуляторов мощности. Иногда их называют регуляторами напряжения, и какое название вернее, решить трудно, ведь вместе с регулированием напряжения регулируется и мощность.

    Простейший тиристорный регулятор

    Он предназначен для регулирования мощности паяльника. Его схема показана на рисунке 4.

    Схема простейшего тиристорного регулятора мощности

    Рисунок 4. Схема простейшего тиристорного регулятора мощности

    Регулировать мощность паяльника, начиная от нуля, нет никакого смысла. Поэтому можно ограничиться регулированием только одного полупериода сетевого напряжения, в данном случае положительного. Отрицательный полупериод проходит без изменений через диод VD1 сразу на паяльник, что обеспечивает его половинную мощность.

    Положительный полупериод проходит через тиристор VS1, позволяющий осуществлять регулирование. Цепь управления тиристором предельно проста. Это резисторы R1, R2 и конденсатор C1. Конденсатор заряжается по цепи: верхний провод схемы, R1, R2 и конденсатор C1, нагрузка, нижний провод схемы.

    К плюсовому выводу конденсатора подключен управляющий электрод тиристора. Когда напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения включения тиристора, последний открывается, пропуская в нагрузку положительный полупериод напряжения, вернее его часть. Конденсатор C1 при этом, естественно, разряжается, тем самым подготавливаясь к следующему циклу.

    Скорость заряда конденсатора регулируется с помощью переменного резистора R1. Чем быстрее конденсатор зарядится до напряжения открывания тиристора, тем раньше тиристор откроется, тем большая часть положительного полупериода напряжения поступит в нагрузку.

    Схема простая, надежная, для паяльника вполне подходит, хотя регулирует лишь один полупериод сетевого напряжения. Очень похожая схема показана на рисунке 5.

    Тиристорный регулятор мощности

    Рисунок 5. Тиристорный регулятор мощности

    Она несколько сложней предыдущей, но позволяет осуществлять регулировку более плавно и точно, благодаря тому, что схема формирования управляющих импульсов собрана на двухбазовом транзисторе КТ117. Этот транзистор предназначен для создания генераторов импульсов. Больше, кажется, ни на что другое не способен. Подобная схема используется во многих регуляторах мощности, а также в импульсных блоках питания в качестве формирователя запускающего импульса.

    Как только напряжение на конденсаторе C1 достигает порога срабатывания транзистора, последний открывается и на выводе Б1 появляется положительный импульс, открывающий тиристор VS1. Резистором R1 можно регулировать скорость заряда конденсатора.

    Чем быстрее зарядится конденсатор, тем раньше появится открывающий импульс, тем большее напряжение поступит в нагрузку. Вторая полуволна сетевого напряжения проходит в нагрузку через диод VD3 без изменений. Для питания схемы формирователя управляющих импульсов используется выпрямитель VD2, R5, стабилитрон VD1.

    Тут можно спросить, а когда же откроется транзистор, каков же порог срабатывания? Открывание транзистора происходит в тот момент, когда напряжение на его эмиттере Э превысит напряжение на базе Б1. Базы Б1 и Б2 не равноценны, если их поменять местами, то генератор не заработает.

    На рисунке 6 показана схема, позволяющая регулировать оба полупериода напряжения.

    Светорегулятор

    Схема представляет собой светорегулятор. Сетевое напряжение выпрямляется мостом VD1-VD4, после которого пульсирующее напряжение подается на лампу EL1, тиристор VS1, а через резисторы R3, R4 на стабилитроны VD5, VD6, от которых питается схема управления. Использование в схеме выпрямительного моста позволяет осуществить регулирование положительного и отрицательного полупериодов с использованием всего одного тиристора.

    Схема управления выполнена также на двухбазовом транзисторе КТ117А. Скорость заряда времязадающего конденсатора C2 изменяется резистором R6 отчего меняется фаза управляющего тиристором сигнала.

    По поводу этой схемы можно сделать небольшое замечание: ток в нагрузке состоит лишь из положительных полупериодов сети, полученных после мостового выпрямителя. Если требуется в нагрузке получить положительную и отрицательную части синусоиды, достаточно, ничего не меняя в схеме, включить нагрузку сразу после предохранителя. На место нагрузки следует просто установить перемычку. Такая схема показана на рисунке 7.

    Схема тиристорного регулятора мощности

    Рисунок 7. Схема тиристорного регулятора мощности

    Транзистор КТ117 изобретение советской электронной промышленности и зарубежных аналогов не имеет, но при необходимости может быть собран из двух транзисторов по схеме, показанной на рисунке 8. Вдруг кто-то возьмется собирать подобную схему, где такой транзистор взять?

    Аналог КТ117

    В схемах, показанных на рисунках 6 и 7, тиристор используется в сочетании с диодным мостом. Такое включение дает возможность с помощью одного тиристора управлять обоими полупериодами переменного напряжения. Но вместе с тем появляются 4 дополнительных диода, что в целом увеличивает габариты конструкции.

    Как работает такое устройство?

    Описанные ниже характеристики будет соответствовать большинству схем.

    Характеристики тиристорных устройств

    1. Тиристорный регулятор общей мощности, принцип и особенности работы которого будут основаны на фазовости управления величиной напряжения, изменяет и общую мощность в приборах. Данная особенности заключена в том, что в нормальных производственных условиях на нагрузку могут воздействовать примерные показатели напряжения бытовой сети, которая будет меняться в соответствии с синусоидальным законом. Выше, при описании принципа функционирования работы тиристора было сказано о том, что любой тиристор включает в себя функционирование лишь в одном направлении, то есть осуществляет управление своей полуволной от синусоидов. Что же это может означать?
    2. Если при помощи такого прибора, как тиристор со временем подключать нагрузку в строго определённое время, то показатель действующего напряжения будет довольно низким, так как половина от напряжения (действующее значение, которое и воспроизводит нагрузку) будет намного меньше, чем световое. Такое явление можно рассмотреть на графиках движения.

    При этом происходит определённая область, которая будет находиться под особым напряжением. Когда воздействие положительной полуволны окончится и начнётся новый период движения с отрицательно полуволной, то один из таких тиристоров начнёт закрываться, и в это же время откроется новый тиристор.

    Вместо слов положительная и отрицательная волна стоит использовать первая и вторая (полуволна).

    В то время как на схему начинает своё воздействие первая полуволна, происходит особая зарядка ёмкости С1, а также С2. Скорость их полной зарядки будет ограничена потенциометром R 5. Такой элемент будет полностью переменным, и при его помощи будет задаваться выходное напряжение. В тот момент, когда на поверхности конденсатора С1 появится нужное для открытия диристора VS 3 напряжения, весь динистор откроется, а через него начнёт проходить ток, при помощи которого откроется тиристор VS 1.

    Принцип тиристорного регулятора

    Во время пробоя динистра и образуется точка на общем графике. После того как значение напряжение перейдёт нулевую отметку, и схема будет находиться под воздействием второй полуволны, тиристор VS 1, закроется, а процесс будет повторяться, только уже для второго динистра, тиристора, а также конденсатора. Резисторы R 3 и R 3 нужны для ограничения общего тока управления, а R 1 и R 2 — для процесса термостабилизации всей схемы.

    Принцип действия второй схемы будет точно такой же, но в ней будет происходить управление лишь одной из полуволн переменного тока. После того, как пользователь будет понимать принцип работы устройства и его общую схему строение, он сможет понять как собрать или же в случае необходимости починить тиристорный регулятор мощности самостоятельно.

    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;
    • Rn – 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

    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:

    Фильтр на основе ферритового кольца от кабеля монитора

    • 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.

    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

    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

    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»

    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

    Трехфазный симисторный (тиристорный) регулятор мощности на микроконтроллере

    Представляю Вашему вниманию трехфазный регулятор мощности на микроконтроллере.

    Устройство регулирует мощность в активной нагрузке включенной треугольником, либо звездой , без использования нулевого проводника. Предназначено для использования с печами сопротивлений, водогрейными котлами, трехфазными ТЭНами и даже лампами накаливания, при соблюдении условия симметричной нагрузки в фазах. Два режима работы – регулирование с использованием алгоритма Брезенхема, и фазовый метод регулирования. Устройство задумывалось как максимально простое, и доступное в повторении. Управление от кнопок либо потенциометром, светодиодный индикатор режимов работы (не обязательно), светодиод , показывающий состояние устройства.

    Внимание! Присутствуют опасное для жизни напряжение! Для опытных пользователей!

    Схема устройства для удобства разделена на функциональные блоки. Это дает возможность вносить дальнейшие изменения и улучшения в конструкцию, без кардинальной переработки всей схемы. Ниже будет описан каждый блок в отдельности.

    Силовая схема

    Авторский вариант был построен на мощных оптотиристорных модулях МТОТО 80 – 12. Каждый модуль содержит два встречно – параллельных восьмидесятиамперных оптотиристора. Используется три модуля, по одному в каждую фазу. Управляющие импульсы приходят одновременно на оба силовых ключа, но откроется только тот, к которому приложено напряжение в прямой полярности. Модули заменимы на тиристорные или симисторные сборки, либо отдельные тиристоры и симисторы. Модульные сборки удобнее в монтаже, имеют изолированную подложку, и упрощают гальваническую развязку схемы управления. При использовании отдельных тиристоров или симисторов, потребуется ставить дополнительные импульсные трансформаторы, либо оптроны. Так же потребуется подобрать токоограничивающие резисторы оптронов (R32 –R34)под имеющиеся у вас экземпляры. Микроконтроллер формирует управляющие импульсы, которые усиливаются составными транзисторами Т7-Т9. Импульсы модулированы высокой частотой , для уменьшения тока через оптроны , так же это дает возможность использования малогабаритных импульсных трансформаторов (далее ТИ). Питание оптронов либо ТИ осуществляется нестабилизированным напряжением 15в.

    Обязательны к установке RC цепи параллельно тиристорам. В моем варианте это резисторы ПЭВ-10 39 Ом и конденсаторы МБМ 0,1мкф 600в. Модули установлены на радиатор, при работе греются. Нагрузка трехфазный нихромовый нагреватель, максимальный ток 60А. За два года эксплуатации отказов не было.

    На схеме не показан, но должен быть установлен, автоматический выключатель под рассчитанную нагрузку, так же желательно установить отдельный автоматический выключатель на фазы блока синхронизации. Устройство подключается к сети 3х380 вольт с соблюдением чередования фаз А-В-С, при неправильном чередовании устройство работать не будет. Нулевой провод нужен для подключения трансформатора блока питания, если его первичная обмотка выполнена на 220 вольт. При использовании трансформатора на 380 вольт, нулевой проводник не нужен.

    Защитное заземление корпуса устройства выполнять обязательно!

    Схема источника питания

    Схема источника питания

    В пояснении не нуждается, используется два напряжения – нестабилизированное 15 вольт и стабилизированное 5 вольт, потребление в авторском варианте составляло до 300мА, в большей степени зависит от светодиодного индикатора и используемых силовых элементов. Можно использовать любые доступные детали, особых требований нет.

    Схема блока синхронизации

    Схема блока синхронизации

    Содержит три одинаковых канала. Каждый канал подключен между двух фаз, т.е. каналы включены треугольником. В момент равенства фазных напряжений (точка пересечения синусоид ) формируется импульс, используемый для синхронизации в МК. Детали не критичны, но нужно придерживаться номиналов, для более точной синхронизации.Если есть двухлучевой осциллограф, желательно ,подбором резисторов R33 ,R40 ,R47, подогнать момент формирования импульса к точке пересечения синусоид. Но это не обязательное условие. Используемые оптроны АОТ 101 можно заменить любыми аналогичными, и доступными, единственное требование к ним – высокое пробивное напряжение, так как именно оптроны гальваническую развязку блока управления от сети. Можно найти более простую схему детектора нуля, и собирать ее, но с учетом подключения на межфазное 380 В. Очень желательно использовать предохранители , как показано в схеме, так же желательно использовать отдельный автоматический выключатель на этот блок.

    Блок управления и индикации

    Это основной блок. Микроконтроллер ATmega8 выдает импульсы управления на тиристоры, и обеспечивает индикацию режимов работы. Работает от внутреннего генератора, тактовая 8 МГц. Фьюзы приведены ниже на картинке. Семисегментный светодиодный индикатор с общим анодом, на три знака. Управляется через три анодных ключа Т1-Т3 , сегменты переключаются сдвиговым регистром. Можно не устанавливать индикатор, регистр и связанные с ними элементы, если не требуется настройки работы. Можно установить любой доступный тип индикаторов, но потребуется подбор токоограничивающих резисторов в цепи сегментов. Светодиод HL1 показывает основные состояния устройства.

    Пуск и остановка осуществляется переключателем SB1. Замкнутое состояние – Пуск, разомкнутое -Стоп. Регулировка мощности либо от кнопок Up ,Down, либо от задатчика R6, выбор осуществляется через меню. Дроссель L любой малогабаритный, нужен для лучшей фильтрации опорного напряжения АЦП микроконтроллера. Емкости С5 , С6 требуется установить, как можно ближе к выводам питания МК и регистра, в моем варианте они были напаяны на ножки поверх микросхем. В условиях больших токов и сильных помех они необходимы для надежной работы устройства.

    Работа регулятора мощности

    В зависимости от выбранной прошивки будет осуществляется регулирование либо фазоимпульсным методом, либо методом пропуска периодов так называемый алгоритм Брезенхема.

    При фазоимпульсном регулировании напряжение на нагрузке плавно изменяется практически от нуля, до максимума, путем изменения угла открытия тиристоров. Импульс выдается два раза за период, одновременно на оба тиристора, но открыт будет только тот , к которому приложено напряжение в прямой полярности.

    На малых напряжениях ( большой угол открытия) возможно перерегулирование , связанное с неточностью попадания импульса синхронизации в момент пересечения синусоид. Для исключения этого эффекта по умолчанию нижняя граница задана значением 10. Через меню , при необходимости можно изменить ее в диапазоне от 0 до 99. На практике этого ни разу не требовалось, но тут все зависит от конкретной задачи. Данный метод подходит для регулировки светового потока ламп накаливания, при условии их одинаковой мощности в каждой фазе.

    Так же важно, чтобы чередование фаз сети было правильным А-В-С. Для проверки можно при включении устройства провести тест на правильное чередование фаз. Для этого необходимо при включении устройства , когда на индикаторе отображаются символы – 0 – держать нажатой кнопку menu , если фазировка правильная индикатор отобразит символы AbC ,если нет ACb, и требуется перебросить местами две любые фазы.

    Если отпустить кнопку menu устройство перейдет в основной режим работы.

    При использовании регулирования методом пропуска периодов, не требуется фазировка и тест в прошивку не введен. В этом случае тиристоры открываются одновременно , можно представить их как простой пускатель коммутирующий все три фазы сразу. Чем больше нужна мощность на нагрузке , тем большее количество раз в единицу времени , тиристоры будут в проводящем состоянии. Данный метод не подходит для ламп накаливания.

    В настройке устройство не нуждается.

    При включении происходит считывание настроек из энергонезависимой памяти МК, если в памяти нет значений, либо они некорректны, устанавливаются значения по умолчанию. Далее МК проверяет наличие импульсов синхронизации и состояние переключателя SB1. Если SB1 в разомкнутом состоянии импульсы управления не выдаются , на индикатор выводится сообщение OFF , светодиод HL1 мигает с высокой частотой. Если замкнуть SB1 на индикаторе высветится текущее задание мощности, будут формироваться импульсы управления , светодиод HL1 светится постоянно. Если при пуске либо во время работы пропадут управляющие импульсы более чем на 10 секунд, индикатор отобразит цифры 380 , светодиод будет моргать с низкой частотой, импульсы управления тиристорами снимутся. При появлении импульсов синхронизации , устройство вернется к работе. Так было сделано в связи с плохой сетью в месте эксплуатации устройства, частыми перебоями и перекосами фаз.

    Меню содержит четыре подменю, переключаемых кнопкой menu , если кнопка не нажата некоторое время, отображается текущий установленный уровень мощности условно от 0 до 100. Уровень мощности изменяется кнопками Up или Down, либо , если разрешено(по умолчанию) ,потенциометром.

    Длительное нажатие кнопки menu переключает подменю.

    Подменю 1 на индикаторе отображается Грˉ это верхняя граница регулирования мощности, при нажатии кнопок Up или Down, будет показано текущее значение , его возможно изменять в большую или меньшую сторону, в пределах границ. По умолчанию значение 99.

    Подменю 2 на индикаторе Гр_ это нижняя граница регулирования мощности, все аналогично , значение по умолчанию 10.

    Подменю 3 показывает используется ли задание от потенциометра 1 – да 0- нет. На индикаторе 3-1 либо 3-0, выбор нажатием кнопок Up или Down. По умолчанию – используется(1).

    Подменю 4 на индикаторе ЗАП , при нажатии любой из кнопок Up или Down, произойдет запись текущих значений в энергонезависимую память МК. При записи произойдет однократное мигание надписи ЗАП. Будут записаны границы регулирования, разрешен ли потенциометр и текущее значение мощности, если оно устанавливается кнопками, а потенциометр не используется.

    Следующее нажатие menu , переключит в основное меню, будет отображено значение мощности. Так же длительное не нажатие кнопок переключит меню на основное.

    Можно не использовать семисегментный светодиодный индикатор ,если не требуется ничего изменять, в этом случае все будет работать, регулироваться от 10 до 99 при помощи потенциометра. Состояние устройства покажет светодиод HL1 . Собственно индикатор был нужен на этапе отладки и для последующей модернизации. В планах построить на этой базе регулятор для индуктивной нагрузки , и сделать устройство плавного пуска асинхронного двигателя.

    Печатная плата разрабатывалась для блока синхронизации и для блока управления, но в итоге из за переработок блок управления был сделан навесным способом, на макетной плате, Печатная плата”как есть” в архиве, разводка семисегментного индикатора выполнена под имеющийся у меня индикатор, при необходимости можно программно сменить соответствующие сегментам вывода. Часть деталей ( RC цепи , резисторы и диоды силовой схемы, элементы блока питания, кнопки, потенциометр и светодиоды) монтировались так же навесным способом.

    В архиве представлена плата блока управления и блока синхронизации, в формате sprint layout, и схемы в формате Splan 7, там же два варианта прошивки под фазоимпульсное управление и управление пропуском периодов. МК шился программатором “пять проводков” под управлением программы Uniprof , скачать ее можно на сайте автора http://avr.nikolaew.org/

    фьюзы представлены ниже.

    Фьюзы даны для установки в этой программе , при использовании другой – Помните, что включенный FUSE – это FUSE без галочки!

    Печатные платы не оптимальны , и скорее всего , при повторении придется доработать их под имеющиеся в наличии детали, и конкретную конфигурацию и расположение элементов ( кнопок , потенциометра, индикатора, диодов и оптронов). Так же обратите внимание на контактные площадки, если сверлить отверстия диаметром 0,5-0,7 мм затруднительно, то перед печатью нужно увеличить размер контактных площадок. Главное требование для блока синхронизации – учитывайте , что напряжение высокое и может быть пробой по поверхности текстолита, и по поверхности деталей,поэтому желательно использовать выводные детали с большим расстоянием между выводами. По этой же причине мосты набраны из отдельных диодов. Не нужно экономить место и текстолит ! напряжение в отдельных точках платы синхронизации может достигать 600 вольт ! Плату после изготовления нужно покрывать электроизоляционным лаком, желательно в два – три слоя, чтобы исключить пробой по пыли.

    Видео представлено при работе в режиме фазоимпульсного регулирования, на осциллографе сигнал с трансформаторов тока ,включенных в две фазы, нагрузка три лампы накаливания по 1 КВт. На видео макет устройства используемый для отладки.

    Литература

    • В.М. Яров . “Источники питания электрических печей сопротивления” учебное пособие 1982г.
    • А.В.Евстифеев “Микроконтроллеры AVR семейства Mega, руководство пользовтеля ” 2007г.

    С какими еще задачами справляется регулятор мощности?

    Наряду с функцией управления нагрузкой на различные приборы устройство выполняет следующие задачи:

    • Предотвращение перенапряжения, перегрева техники в процессе эксплуатации.
    • Контроль работы тиристоров.
    • Безударный, мягкий запуск оборудования.

    Виды современных устройств

    Развитие полупроводниковой техники позволило осуществить управление мощностью, используя радиоэлементы с коэффициентом полезного действия от восьмидесяти процентов. Это дало возможность их комфортно применить в сети с напряжением 220 вольт, не требуя при этом больших систем охлаждения. А появление интегральных микросхем и вовсе позволило достичь миниатюрных размеров всего регулятора в целом.

    На сегодняшний момент производство выпускает следующие типы приборов:

     регулятор мощности на тиристоре

    1. Фазовые. Используются для управления яркости свечения ламп накаливания или галогенных ламп. Другое их название — диммеры.
    2. Тиристорные. В основе работы лежит использование задержки включения тиристорного ключа на полупериоде переменного тока.
    3. Симисторные. Мощность регулируется вследствие изменения количества полупериодов напряжения, которые действуют на нагрузку.
    4. Регулятор хода. Позволяет плавно изменять электрическую мощность, подаваемую на электродвигатель.

    При этом регулировка происходит независимо от формы входного сигнала. По своему виду расположения приборы управления разделяются на портативные и стационарные. Они могут выполняться как в независимом корпусе, так и интегрироваться в аппаратуру. К основным параметрам, характеризующим регуляторы электрической энергии, относят:

    • плавность регулировки;
    • рабочую и пиковую подводимую мощность;
    • диапазон входного рабочего сигнала;
    • КПД.

    Таким образом, современный регулятор электрической мощности представляет собой электронную схему, использование которой позволяет контролировать количество энергии, пропускаемой через него.

    Тиристорный прибор управления

     регулятор мощности для паяльника своими руками

    Принцип действия такого прибора не отличается особой сложностью. В основном тиристорный преобразователь используется для управления устройствами малой мощности. Типовая схема тиристорного регулятора мощности состоит непосредственно из самого тиристора, биполярных транзисторов и резисторов, устанавливающих их рабочую точку, и конденсатора.

    Транзисторы, работая в ключевом режиме, формируют импульсный сигнал. Как только значение напряжения на конденсаторе сравнивается с рабочим, транзисторы открываются. Сигнал подаётся на управляющий вывод тиристора, открывая и его. Конденсатор разряжается и ключ запирается. Так повторяется в цикле. Чем больше задержка, тем в нагрузку поступает меньше мощности.

    Преимущества такого типа регулятора в том, что он не требует настройки, а недостаток в чрезмерном нагреве. Для борьбы с перегревом тиристора используется активная или пассивная система охлаждения.

    Используется такого типа регулятор для преобразования мощности, подающейся как к бытовым приборам (паяльник, электронагреватель, спиральная лампа), так и к промышленным (плавный запуск мощных силовых установок). Схемы включения могут быть однофазными и трёхфазными. Наиболее применяемые: ку202н, ВТ151, 10RIA40M.

    Симисторный преобразователь мощности

    Симистор — полупроводниковый прибор, предназначенный для использования в цепи переменного тока. Отличительной чертой прибора является то, что его выводы не имеют разделения на анод и катод. В отличие от тиристора, пропускающего ток только в одну сторону, симистор проводит ток в обоих направлениях. Именно поэтому он используется в сетях переменного тока.

    Регулятор мощности на симисторе

    Важное отличие симисторных схем от тиристорных состоит в том, что нет необходимости в выпрямительном устройстве. Принцип действия основан на фазном управлении, то есть на изменении момента открытия симистора относительно перехода переменного напряжения через ноль. Такое устройство позволяет управлять нагревателями, лампами накаливания, оборотами электродвигателя. Сигнал на выходе симистора имеет пилообразную форму с управляемой длительностью импульса.

    Самостоятельное изготовление такого вида приборов проще, чем тиристорного. Широкую популярность получили симисторы средней мощности типа: BT137–600E, MAC97A6, MCR 22−6. Схема регулятора мощности на симисторе с использованием таких элементов отличается простотой изготовления и отсутствия необходимости в настройке.

    Фазовый способ трансформации

     регулятор напряжения фазовый

    Сам по себе диммер имеет широкую область применения. Одним из вариантов его использования является регулировка интенсивности освещения. Электрическая схема прибора чаще всего реализуется на специализированных микроконтроллерах, использующих в своей работе встроенную электронную схему понижения напряжения. Из-за этого диммеры способны плавно изменять мощность, но чувствительны к помехам.

    Фазовые регуляторы мощности не стабилизируются с помощью стабилитронов, а в качестве стабилизатора используют попарно работающие тиристоры. Основа их работы лежит в изменении угла открывания ключевого тиристора, в результате чего на нагрузку поступают сигналы с отрезанной начальной частью полупериода, снижая действующую величину напряжения. К недостаткам диммеров относят высокий коэффициент пульсаций и низкий коэффициент мощности выходного сигнала.

    При работе диммеров в широком спектре частот возбуждаются электромагнитные помехи. Такие излучения приводят к снижению КПД из-за появления паразитного тока в проводниках. Для борьбы с такими токами в конструкцию добавляются индуктивно-ёмкостные фильтры.

    Способы регулирования фазового напряжения в сети

    Изменяют переменное электрическое напряжение при помощи таких электрических приборов, как: тиратрон, тиристор и прочие. При изменении угла этих структур на нагрузку подаются неполными полуволнами, а в результате регулируется действующее напряжение. Искажение вызывает возрастание тока и падение напряжения. Последнее меняет форму из синусоидальной в несинусоидальную.

    Система включится после того, как на конденсаторе соберется достаточно напряжения. При этом момент открытия контролируется при помощи резистора. На схеме он обозначен как R2. Чем медленнее заряжается конденсатор, тем больше сопротивления у этого элемента. Регулируется электроток через управляющий электрод.

    Эта схема дает возможность контролировать полную мощность в устройстве, так как регулируются два полупериода. Это возможно благодаря установке в диодном мосте тиристора, который воздействует на одну из полуволн.

    Регулятор напряжения, схема которого представлена выше, имеет упрощенную конструкцию. Контролируется здесь одна полуволна, в то время как другая без изменений проходит через VD1. Работает по аналогичному сценарию.

    При работе с тиристором импульс на управляющий электрод следует подавать в определенный момент, чтобы срез фаз достиг требуемой величины. Нужно определять переход полуволны в нулевой уровень, иначе регулировка не будет эффективной.

    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).

    Простой регулятор напряжения

    Даже самая простая радиодеталь состоит из генератора, выпрямителя, аккумулятора, а также переключателя напряжения. Такие устройства обычно не содержат стабилизаторов. Сам же тиристорный регулятор тока состоит из таких элементов:

    • диод – 4 шт.;
    • транзистор – 1 шт;
    • конденсатор – 2 шт.;
    • резистор – 2 шт.

    Чтобы избежать перегрева транзистора, к нему устанавливают систему охлаждения. Желательно, чтобы последняя имела большой запас мощности, которая позволит заряжать в дальнейшем аккумуляторы с невысокой емкостью.

    Читайте также:
    Фасадные облицовочные панели с утеплителем
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: