Регуляторы переменного тока

Регуляторы переменного тока относятся к устройствам, которые могут работать как прямой преобразователь напряжения переменного тока, а также как электронный прерыватель, выполняющий функции включения и выключения электрической цепи переменного тока. В настоящем параграфе рассматриваются регуляторы на обычных тиристорах с естественной коммутацией от сети переменного тока, получившие большое распространение благодаря простому техническому решению. Принцип действия регулятора с естественной коммутацией тиристоров рассмотрен на примере простейшей однофазной схемы (рис. 3.21,а) со встречно-включенными тиристорами, которая является базовой схемой для этого класса регуляторов.

Рассмотрим работу такого регулятора па активную нагрузку, что соответствует подключению на выходе регулятора резистора с сопротивлением R_H. Остальные элементы схемы, включая тиристоры, будем считать идеальными. Управление моментами включения тиристоров осуществляется подачей импульсов управления i_vl и i_v2 на управляющие электроды тиристоров. Импульсы формируются СУ синхронно с напряжением сети и_т -«*(») в фазе, соответствующей углу управления а (рис. 3.21,6).

При включении тиристора VS1 в момент 9, = а входное напряжение прикладывается к нагрузке с сопротивлением R_u. Ток в цепи активной нагрузки г_и повторяет форму напряжения и_вх. При спадании его до нуля тиристор KST выключается. В момент 9₂ = я + а включается тиристор VS2, и далее процессы периодически повторяются. Если угол управления, а = const, то можно записать следующую зависимость действующего значения выходного напряжения от угла а:

где U_nh — действующее значение входного напряжения регулятора; 9 = tot (to — угловая частота сетевого напряжения).

Рис. 3.21. Однофазный тиристорный регулятор переменного тока:

а — схема на встречно-параллельных тиристорах; 6 — диаграммы работы при активной нагрузке Изменением угла, а можно регулировать действующее значение напряжения от максимального, равного соответствующему входному напряжению (при, а = 0), до нуля (при, а = л).

Другие схемы однофазных регуляторов приведены на рис. 3.22. Схема на основе симметричного тиристора — симистора (рис. 3.22, а) аналогична схеме регулятора на встречно-параллельных тиристорах. Схема на рис. 3.22,6 позволяет осуществлять регулирование положительного и отрицательного нолунериодов напряжения с использованием всего одного тиристора, но она имеет существенный недостаток — протекание тока в каждый полупериод через три полупроводниковых элемента (два диода и тиристор), что приводит с учетом реальных вольт-амнерных характеристик ука;

Рис. 3.22. Схемы однофазных регуляторов переменного тока:

а — на симисторе; б — на одном тиристоре; в — на двух тиристорах и двух диодах; г — на встречно-включенных тиристоре и диоде занных элементов к увеличению падения напряжения и, как следствие, росту потерь мощности. Поэтому данная схема не применяется при низких напряжениях и малых токах, а используется в случае, когда потери некритичны. Схема, состоящая из двух тиристоров и двух диодов (рис. 3.22, в), также аналогична схеме на встречно-включенных тиристорах, но в этом случае обратное напряжение на тиристорах будет близко к нулю. В схеме, представленной на рис. 3.22, г, регулируется только один полупериод напряжения.

Основной характеристикой регулятора, определяющей его функции, является регулировочная характеристика, связывающая действующее значение выходного напряжения и угол управления. На эту характеристику оказывает существенное влияние характер нагрузки. Практическое значение в рассматриваемом случае имеют активная, активно-индуктивная и индуктивная нагрузки. Рассмотрим работу при указанных нагрузках отдельно.

В случае активной нагрузки действующее значение выходного напряжения в функции угла управления определяется соотношением (3.51). Из принципа действия регулятора следует, что выходное напряжение м_н(Э) имеет несинусоидальную форму и в зависимости от величины угла управления, а уровень высших гармоник значительно изменяется. На рис. 3.23, а представлены зависимости амплитуд первой и нескольких высших гармоник в функции угла управления, а для активной нагрузки.

Очевидно, что увеличение угла управления вызывает не только искажение тока и напряжения на нагрузке, но и ухудшение входного коэффициента мощности, значение которого может быть определено из разложения тока в гармонический ряд и формул активной и полной мощности. На рис. 3.23, б приведена зависимость коэффициента мощности х от угла управления, а для активной нагрузки.

В случае активно-индуктивной нагрузки (сопротивление R_H и индуктивность L_H соединены последовательно) включение любого из тиристоров.

Рис. 3.23. Зависимости амплитуд гармоник выходного напряжения и коэффициента мощности от угла управления при активной нагрузке:

а — гармоники выходного напряжения; б — коэффициент мощности в схеме на рис. 3.21, а будет вызывать переходный процесс в системе «источник входного напряжения — нагрузка». При принятых ранее допущениях об идеальности элементов регулятора и источника входного напряжения ток нагрузки в переходном процессе, возникающем при включении тиристоров, может быть определен из уравнения.

I.

Решение представляется суммой свободной i_{H св} и установившейся г _т составляющих. При этом возможно возникновение трех режимов протекания тока в зависимости от соотношения угла управления, а и угла нагрузки <�р_н = arctg ((oL_H//<�'_ij), определяющего длительность протекания тока в тиристорах (А.):

• • А. ф_и;
• • А. = я в случае, а = ф_п;
• • А. > л в случае а < ф_и.

При а = ф" составляющая г_н св = 0. А в случае, а < ф_и в момент подачи сигнала управления на тиристор VS2 он будет шунтирован тиристором V51, продолжающим проводить ток, поскольку, А > я. Поэтому следует обеспечивать работу регулятора при /^/.-нагрузке с углами управления, а > ф_п.

Режим работы на индуктивную нагрузку при допущении равенства нулю потерь активной мощности в схеме и нагрузке отличается от режимов работы с активно-индуктивной нагрузкой отсутствием затухания свободной составляющей, т. е. постоянная времени т =!"//?" —* °°. Такую схему можно рассматривать как регулируемую индуктивность, так как при увеличении угла управления, а уменьшается амплитуда основной гармоники тока, отстающего по фазе от напряжения сети на четверть периода. В электроэнергетике такой способ регулирования реактивной мощности получил широкое распространение в устройствах компенсации реактивной мощности, состоящих из параллельно соединенных групп конденсаторов и тиристорного регулятора с индуктивной нагрузкой.