Accumulator-shop.ru

Аккумулятор Шоп
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ)

Тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ)

В качестве элементной базы для устройств частотного управления электродвигателями используются силовые тиристоры и транзисторы. Несмотря высокое быстродействие и другие преимущества транзисторных ключей, тиристорные преобразователи частоты продолжают применяться и развиваться сейчас.

Сфера применения частотников на тиристорах – мощные электроприводы с высокими требованиями к перегрузочной способности. Благодаря способности выдерживать ток на порядок выше номинального значения, устройства широко используются в приводах механизмов на напряжение более 1000 В, в грузоподъемных машинах, высокоинерционном промышленном оборудовании.

Схема тиристорных преобразователей частоты

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

Схема включения

Схема тиристорного ключа

Схема управления может выглядеть по-разному, но в простейшем случае схема включения тиристорного ключа имеет вид, показанный на рисунке 2.

К аноду присоединена лампочка L, а к ней выключателем К2 подключается плюсовая клемма источника питания G. B. Катод соединяется с минусом питания.

Читайте так же:
Дистанционный выключатель массы для уаз

После подачи питания выключателем К2 к аноду и катоду будет приложено напряжение батареи, но тиристор остаётся закрытым, лампочка не светится. Для того чтобы включить лампу, необходимо нажать на кнопку К1, сигнал через сопротивление R будет подан на управляющий электрод, тиристорный ключ изменит своё состояние на открытое, и лампочка загорится. Сопротивление ограничивает ток, подаваемый на управляющий электрод. Повторное нажатие на кнопку К1 никакого влияния на состояние схемы не оказывает.

Для закрытия электронного ключа нужно отключить схему от источника питания выключателем К2. Этот тип электронных компонентов закроется, и в случае снижения напряжения питания на аноде до определённой величины, которая зависит от его характеристик. Вот так можно описать, как работает тиристор для чайников.

Практические примеры для повторения

Наибольшей популярностью среди радиолюбителей пользуются схемы, предназначенные для управления яркостью светильника и изменения мощности паяльника. Такие схемы просты для повторения и могут собираться без использования печатных плат простым навесным монтажом.

Схемы, выполненные самостоятельно, ничем не уступают по работоспособности заводским, так как не требуют настроек и при исправных радиодеталях сразу готовы к использованию. В случае отсутствия возможности или желания изготовить прибор своими руками с «нуля», можно приобрести наборы для самостоятельного изготовления. Такие комплекты содержат все необходимые радиоэлементы, печатную плату и схему с инструкцией по сборке.

Доминирующая схема

Такой прибор проще всего собрать на тиристоре. Работа схемы основана на способности открывания тиристора при прохождении входной синусоиды через ноль, в результате чего сигнал обрезается, и величина напряжения на нагрузке изменяется.

 регулятор напряжения 220в своими руками

Схема для повторения тиристорного регулятора мощности построена на использовании тиристора VS1, в качестве которого используется КУ202Н. Это радиоэлемент изготавливается из кремния и имеет структуру p-n-p типа. Применяется в качестве симметричного переключателя сигналов средней мощности и коммутации силовых цепей на переменном токе.

При подаче напряжения 220в входной сигнал выпрямляется и поступает на конденсатор C1. Как только значение падения напряжения на C1 сравняется с величиной разности потенциалов, в точке между сопротивлениями R3 и R4 биполярные транзисторы VT1 и VT2 открываются. Уровень напряжения ограничивается стабилитроном VD1. Сигнал поступает на управляющий вывод КУ202Н, а конденсатор C1 разряжается. При возникновении сигнала на управляющем выводе тиристор отпирается. Как только конденсатор разрядится, VT1 и VT2 закрываются, соответственно запирается и тиристор. При следующем полупериоде входного сигнала всё повторяется вновь.

В качестве транзисторов используются КТ814 и КТ815. Время разряда регулируется с помощью R5 и мощность тоже. Стабилитрон используется с напряжением стабилизации от 7 до 14 вольт.

Такой регулятор возможно использовать не только как диммер, но и для управления мощностью коллекторного двигателя. Доминирующая схема может работать при токах до 10 ампер, эта величина напрямую зависит от характеристик используемого тиристора, при этом он обязательно устанавливается на радиатор.

Контроллер нагрева паяльника

Управление мощностью паяльника не только положительно сказывается на сроке его службы, предотвращая жало и внутренние его элементы от перегревания, но и позволяет выпаивать радиоэлементы, критичные к температуре устройства.

Читайте так же:
Регулятор с выключателем 220

Приборы для контроля температуры паяльника выпускаются давно. Одним из его видов был отечественный прибор, выпускающийся под названием «Добавочное устройство для электропаяльника типа П223». Он позволял подключать низковольтный паяльник к сети 220В.

Проще всего выполняется регулятор для паяльника с применением симистора КУ208Г.

Регулятор мощности своими руками

Силовые контакты подключаются последовательно к нагрузке. Поэтому ток, протекающий через симистор, совпадает с током нагрузки. Для управления ключевым режимом применяется динистор VS2. Конденсатор C1 заряжается через резисторы: R1 и R2. Индикация работы организовывается под средством VD1 и светодиода LED. Из-за того, что для изменения напряжения на конденсаторе требуется время, образуется сдвиг фаз между сетевым и конденсаторным напряжением. Изменяя величину сопротивления R2, регулируется величина фазового сдвига. Чем дольше конденсатор заряжается, тем меньше находится в открытом состоянии симистор, а значит и значение мощности ниже.

Такой регулятор рассчитан на подключение нагрузки с мощностью до 300 ватт. При использовании паяльника с мощностью более 100 ватт симистор следует устанавливать на радиатор. Изготовленная плата с лёгкостью помещается на текстолите размером 25х30 мм и свободно размещается во внутренней сетевой розетке.

Тиристорные контакторы постоянного тока

Контакторы постоянного тока имеют ряд индивидуальных особенностей и характеристик. Одной из них является возможность работы с гораздо более высокими частотами переключения, во время регулировок и преобразований тока и напряжения. Этим они заметно отличаются от тиристорных регуляторов, осуществляющих стабилизацию в цепях с переменным током. Устройства постоянного тока обеспечивают более высокий уровень быстродействия, и данный фактор в значительной степени определяет сферу их использования.

Однако, к этим приборам иногда предъявляются индивидуальные требования. Например, в случае необходимости, тиристорный контактор должен включаться в работу в течение минимального промежутка времени. Поэтому вместе с тиристорным устройством могут использоваться обычные электромагнитные контакторы, составляющие комбинированную схему. Их основной функцией является своевременное отключение тиристора. При параллельном подключении (рис. 3а) тиристор выключается путем шунтирования его при помощи замыкающего контакта К.

Если используется последовательное подключение (рис. 3б) данная операция осуществляется размыкающим контактом К. Подобная комбинированная схема включается управляющим импульсом, подаваемым к тиристору VS.

Тиристорные контакторы классифицируются по способу коммутации. Основным признаком считается связь между включениями и выключениями тиристора, производимыми за счет общих электромагнитных процессов, захватывающих коммутирующий контур. В разных случаях коммутация может быть одно-, двух- и трехоперационной или же одно-, двух- и трехступенчатой.

При наличии двух ступеней коммутации, основной тиристорный пускатель может быть выключен независимо от того, когда он был включен. В подобных схемах для выключения используется специальная коммутирующая цепь, подключаемая к основному элементу через дополнительный тиристор. Поэтому процесс выключения контактора в данном случае считается второй рабочей операцией, выполняемой независимо от других действий. Для ее осуществления управляющий импульс подается к коммутирующему тиристору.

Трехоперационная схема может включать в себя еще одну дополнительную операцию, если это требуется по техническим условиям эксплуатации. Теоретически количество ступеней можно наращивать без каких-либо ограничений, однако такие многоступенчатые схемы на практике не применяются.

Читайте так же:
Как одинарный выключатель подключить если у тебя двойной

Схема включения тиристора для регулировки тока

Тиристоры часто используются в устройствах плавного регулирования мощности таких активных нагрузок, как нагревательные элементы (для управления температурой нагревателя); коллекторные двигатели (для изменения скорости вращения); лампы накаливания (для изменения яркости свечения и цветовой температуры, а также для плавного включения с целью увеличения срока службы). Несмотря на присущие тиристорным регуляторам недостатки (несинусоидальность выходного напряжения; высокий уровень помех), они имеют простое устройство и низкую стоимость. Лучшие показатели могут быть получены в устройствах регулировки с ШИМ с ключами на транзисторах. Но для работы с сопоставимыми по мощности нагрузками, потребуется несопоставимо более сложная схема, содержащая ключевой транзистор, цена которого на данный момент в несколько раз превышает цену тиристора, способного управлять аналогичной нагрузкой.

Принцип действия регулятора мощности

Структурная схема тиристорного регулятора мощности.

Основная идея тиристорного управления мощностью в цепи переменного тока состоит в том, что в каждом периоде питающего переменного тока, тиристор находится в открытом (проводящем) состоянии только часть времени. Ток через нагрузку течёт только при открытом тиристоре и, средняя за период мощность оказывается тем меньше, чем меньшую часть периода тиристор открыт. Открывается тиристор импульсом на управляющем электроде, который подаётся с задержкой относительно начала периода (за начало периода принимаем начало положительной полуволны питающего напряжения). Величина задержки как раз определяет, какую часть периода тиристор будет находиться в открытом состоянии, а значит и среднюю мощность нагрузки. Большинство используемых типов тиристоров являются незапираемыми, т.е. с помощью управляющего вывода их можно только открыть; в закрытое состояние они переходят при приложении обратного напряжения между анодом и катодом или уменьшении прямого тока ниже определённого уровня. Это может произойти, например, при переходе питающего напряжения через нулевое значение. То есть, в данном случае, закрывается тиристор сам, в конце полупериода. На протяжении тех полупериодов, когда тиристор смещён в обратном направлении, он всё время находится в закрытом состоянии (предполагается использование триодного тиристора, не проводящего в обратном направлении — это наиболее распространённый тип тиристоров).

Диаграммы работы тиристорного регулятора мощности.

На рис. %img:i2 изображены временные диаграммы, поясняющие процессы в тиристорном регуляторе мощности. Зелёным пунктиром показан график питающего напряжения; красной линией — график напряжения на нагрузке. Ниже (в другом масштабе напряжений) показана форма управляющего сигнала, в данном случае он имеет вид коротких прямоугольных импульсов. При коммутации тока с промышленной частотой, можно пренебречь инерционностью тиристора и считать, что включение происходит по нарастающему фронту управляющего сигнала; импульсы самого управляющего сигнала могут быть достаточно короткими, в качестве нижней границы их длительности можно принять время включения тиристора.

В структурной схеме на рис. %img:i1, тиристор образует управляемый однополупериодный выпрямитель. В результате, через нагрузку течёт выпрямленный (пульсирующий) ток, а максимальная мощность на нагрузке не может превышать половину от мощности при непосредственном включении нагрузки в сеть. Если это не то, что нам требуется, следует выбрать другую схему. Возможные варианты: дополнить схему мостовым выпрямителем, превращающим ключ с односторонней проводимостью в ключ с двусторонней проводимостью (рис. %img:i3); использовать два встречно включённых тиристора, каждый с собственной схемой управления (рис. %img:i4); использовать специально предназначенные для подобных случаев триаки (они же симисторы), рис %img:i5.

Читайте так же:
Узо до или после автоматического выключателя

(Мост + тиристор) как ключ с двусторонней проводимостью.

Два встречно включенных тиристора как ключ с двусторонней проводимостью.

Структурная схема симисторного регулятора мощности.

Диаграммы работы симисторного регулятора мощности.

Вариант на рис. %img:i5 с симистором является оптимальным для большинства случаев. Ток через нагрузку получается несинусоидальным, но не содержит значительной постоянной составляющей; мощность может регулироваться от 0 до значения, практически равного мощности при непосредственном подключении нагрузки к сети; схема содержит минимум деталей. Зачастую в подобных схемах симистор используется совместно с маломощной симисторной оптопарой (рис. %img:i7), которая обеспечивает гальваническую развязку цепей управления от сети, попутно решает все вопросы с полярностью импульсов на управляющем выводе симистора и обеспечивает дополнительное усиление управляющего сигнала.

Управление симистором через оптосимистор.

Здесь резистор R1 ограничивает ток через управляющий вывод симистора TRIAC; R2 обеспечивает нулевое напряжение на управляющем выводе при закрытой оптопаре IC1.

Пример схемы 1 (регулятор мощности пылесоса LG)

В качестве примера реальной схемы (рис. %img:i8) приведём схему регулятора мощности в пылесосе LG TurboX 1600W; 400W Suction Power; V-C4566HTU. В целом, это достаточно хорошая схема, обеспечивает плавное регулирование мощности в достаточно широких пределах; максимально допустимая мощность нагрузки составляет около 1.5 кВт; схема проста и надёжна. В отличие от схемы, приведённой в следующем примере, может использоваться как образец для собственных разработок.

Схема регулятора мощности в пылесосе LG TurboX 1600W; 400W Suction Power; V-C4566HTU.

На выводы ACW печатной платы подаётся напряжение сети; к выводам MOTOR подключается коллекторный электродвигатель пылесоса. Роль основного силового элемента в схеме играет симистор TRIAC. Демпферная цепь R1, C1 ограничивает скорость нарастания и величину выбросов напряжения на симисторе и тем самым защищает его от ложных включений. Необходимость демпферной цепи обусловлена тем, что электродвигатель как нагрузка может иметь реактивную (индуктивную) составляющую, на которой происходят выбросы напряжения в моменты коммутации — и внешней, и внутренней, связанной с работой щёточно-коллекторного узла. Управляется симистор через оптосимистор IC1. Схема управления питается через понижающий трансформатор с выходным переменным напряжением 12 В. Таким образом, схема управления имеет гальваническую развязку от сети, что обеспечивает безопасность пользователя при регулировке мощности пылесоса с помощью переменного резистора, встроенного в рукоятку шланга.

Схема управления работает следующим образом. На выходе мостового выпрямителя DB1, подключённого к вторичной обмотке трансформатора, формируется пульсирующее напряжение (сглаживающий фильтр отсутствует). Делитель R6, R7 и диод D5 обеспечивают смещение на базе транзистора Q2; эмиттер транзистора подключён к конденсатору C5, входящему в состав RC-цепи (R9, переменный резистор регулировки оборотов, C5). С помощью переменного резистора регулировки оборотов можно изменять постоянную времени данной RC-цепи: чем больше сопротивление переменного резистора, тем медленнее будет заряжаться конденсатор. В начале каждой полуволны питающего напряжения конденсатор C5 разряжен, транзисторы Q1, Q2 закрыты. Во время каждой полуволны напряжения происходит заряд конденсатора и в тот момент, когда напряжение на конденсаторе C5 превысит напряжение смещения на базе Q2, транзистор Q2 откроется, его коллекторный ток откроет транзистор Q1, который через оптопару включит симистор. При этом ток через светодиод оптопары IC1 вызовет падение напряжения на резисторе R8, в результате чего упадёт напряжение смещения на базе транзистора Q1, а его коллекторный ток ещё более увеличится, увеличивая и коллекторный ток транзистора Q1. То есть, Q1 и Q2 образуют схему с положительной обратной связью, которая после срабатывания, "защёлкивается": Q1 переходит в состояние насыщения, напряжение на базе Q2 становится практически равным 0. Конденсатор достаточно быстро разряжается через резистор малого сопротивления R10, после чего транзисторы Q2 и Q1 закрываются. Напряжение смещения на базе Q2 восстанавливается, конденсатор C5 снова начинает заряжаться. Таким образом, схема формирует импульс запуска симистора IC1 (который открывает симистор TRIAC), причём временем запаздывания момента формирования импульса относительно начала полупериода мы можем управлять (изменяя сопротивление переменного резистора).

Читайте так же:
Таймер для выключателя сети

Кстати, до конца полупериода схема успевает сформировать ещё несколько импульсов запуска, но они уже ни на что не влияют: открытые первым импульсом симисторы остаются открытыми до конца полупериода. В следующем полупериоде все процессы повторяются.

Для управления регулятором мощности используется переменный резистор, а точнее приведённая на рис. %img:i9 схема, построенная на основе сдвоенного переменного резистора.

Управление регулятором мощности.

Немного о резисторах R12, R12-1, назначение которых, с первого взгляда, может показаться неочевидным. Ведь судя по схеме, они не входят в состав какого-либо контура, следовательно, ток через них не течёт, а значит, их можно было бы исключить. Кроме того, они создают гальваническую связь между низковольтной частью схемы и сетью, которые так тщательно развязывались с помощью оптопары и трансформатора. На самом деле резисторы необходимы и служат именно для искусственного введения гальванической связи между электрически изолированными частями схемы. При работе пылесоса, связанной с формированием интенсивных потоков воздуха, содержащих множество пылевых частиц, может происходить накопление значительных зарядов статического электричества на отдельных узлах агрегата. В частности, это могло бы происходить на всей схеме управления в целом, особенно с учётом того, что провод от схемы управления до переменного резистора для регулировки оборотов проложен внутри всасывающего шланга пылесоса. По мере накопления заряда возможен пробой трансформатора или оптопары и выход схемы из строя. Резисторы R12, R12-1 препятствуют такому накоплению заряда, а ввиду их высокого сопротивления, возможный ток утечки из сети на землю оказывается достаточно малым, чтобы устройство осталось безопасным для пользователя.

Схемы регуляторов мощности напряжения

Схема работы симистора

В некоторых бытовых приборах, к примеру, используются тиристорные стабилизаторы напряжения — в паяльниках, электронагревателях и т. д.

Схема тиристорного регулятора напряжения в паяльнике

Для регулирования напряжения применяют и индукционные приборы.

Схема индукционного стабилизатора

Регуляторы мощности используются практически во всех бытовых электроприборах, а также на производстве. При желании такое устройство можно собрать и самому. Главное — найти подходящую схему из множества существующих и строго следовать инструкции.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector