Глава 14. Преобразователи переменного напряжения

Преобразователи переменного напряжения (регуляторы переменного

напряжения) предназначены для изменения величины переменного на-

пряжения [18].

На рис. 14.1 а приведена схема однофазного преобразователя перемен-

ного напряжения, а на рис. 14.2 а диаграмма напряжения на нагрузке. Изме-

нение действующего значения напряжения на нагрузке осуществляется из-

менением угла управления a . Такое регулирование называется фазовым

или импульсной модуляцией на основной частоте (ИМ–ОЧ). При этом

даже при активной нагрузке ухудшается cos j и коэффициент мощности.

При таком регулировании даже печь сопротивления, имеющая практически

чисто активное сопротивление, представляет для сети как бы индуктивную

нагрузку. Тем не менее, такая схема применяется для регулирования актив-

ных и активно-индуктивных нагрузок – печей сопротивления, ламп накали-

вания, а также однофазных двигателей переменного тока, например, в элек-

троинструменте.

В схеме рис. 14.1 б применены запираемые тиристоры, что позволяет

получить на нагрузке напряжение в соответствии с рис. 14.2 б или рис. 14.2

в. При этом cos j может быть меньше или равен 1, но угол сдвига j полу-

чается опережающим (фазовое регулирование с опережающим углом сдви-

га) или равным нулю. При таком регулировании печь сопротивления пред-

ставляет для сети как бы емкостную нагрузку. В связи со сложностью быст-

рого прерывания тока в цепи, в которой имеется хотя бы небольшая индук-

тивность, схема усложняется за счет применения дополнительных элемен-

тов и поэтому не получила распространения.

В описанных способах изменение действующего значения напряжения

на нагрузке осуществляется за счет изменения формы напряжения, что не-

желательно для ряда потребителей.

Импульсная модуляция на высокой частоте (ИМ–ВЧ) (см. рис. 14.2 г)

позволяет при небольшом фильтре получать синусоидальную гладкую со-

ставляющую тока, потребляемого из сети, и напряжения на нагрузке при

cos j =1. Однако, в связи со сложностью прерывания тока в индуктивной

цепи схема усложняется и поэтому также не получила распространения.

Импульсная модуляция на низкой частоте (ИМ–НЧ) иллюстрируется

рис. 14.2 д. Эта модуляция реализуется в схеме рис. 14.1 а. Уменьшение

мощности, выделяемой в активной нагрузке, производится включением и

выключением тиристоров в моменты перехода тока и напряжения через

нуль. При питании активной нагрузки и ИМ–НЧ сохраняется cos j =1. Од-

нако, за счет возникающих гармоник с частотами ниже частоты напряжения

сети, коэффициент мощности ухудшается. В литературе доказано, что ко-

эффициент мощности одиночного регулятора не зависит от способа им-

321

пульсной модуляции, а определяется глубиной регулирования. Импульс-

ная модуляция на низкой частоте применима для инерционных объек-

тов (например, печей сопротивления).

Рис. 14.1. Преобразователи переменного напряжения: однофазные на

неполностью (а) и полностью управляемых (б) тиристорах; однофазные на

первичной стороне трансформатора (в) и трансформатора с отпайками (г);

трехфазные для регулирования напряжения на активной нагрузке (д) и

двигателе (е)

Диапазон номинальных значений напряжений и токов электрических на-

грузок чрезвычайно широк. Для согласования с напряжением сети приме-

няются трансформаторы. При малых или очень больших напряжениях на-

322

грузки для регулирования целесообразно включать тиристорные ключи на

первичной стороне трансформатора, однако при этом возникает ряд про-

блем, связанных с насыщением трансформатора. Эти проблемы обостряют-

ся при ИМ–НЧ, когда включения трансформатора происходят очень часто.

Рис. 14.2. Диаграммы напряжений на нагрузке ППН при различных

способах управления (модуляции): ИМ–ОЧ (фазовое регулирование) с

отстающим (a > 0), опережающим (b > 0) и равным нулю (a = b) углом

сдвига j (а, б, в); ИМ–ВЧ (г); ИМ–НЧ (д); ИМ–НЧ на первичной стороне

трансформатора (е); многозонные ИМ–ОЧ (ж), ИМ–ВЧ (з) и ИМ–НЧ (и)

При включении трансформатора начальная магнитная индукция имеет

определенные значения. В переходном процессе изменения индукции после

включения с произвольным углом управления может быть превышено мак-

симальное значение индукции установившегося цикла перемагничивания.

Это вызывает насыщение трансформатора и резкое увеличение (выброс) то-

ка намагничивания, который снижается до установившегося значения за де-

сятки периодов. Выбросы тока намагничивания могут в десятки раз превы-

шать номинальный ток трансформатора. Введением определенного угла

управления в первом полупериоде в начале каждого цикла включения мож-

323

но практически устранить выбросы тока намагничивания. При этом диа-

грамма напряжения на нагрузке соответствует рис. 14.2 е.

Качество напряжения на выходе тиристорного регулятора переменного

напряжения и коэффициент мощности могут быть улучшены при примене-

нии многозонной импульсной модуляции. Такая модуляция может быть

реализована в схеме рис. 14.1 г. При этом вид напряжения на нагрузке будет

соответствовать диаграммам рис. 14.2 ж, з, и. Диаграмма рис. 14.2 з может

быть реализована, если в схеме рис. 14.1 г заменить обычные тиристоры на

запираемые.

На рис. 14.1 д приведена схема трехфазного преобразователя перемен-

ного напряжения. Если нагрузка при этом имеет нулевой вывод, то процес-

сы и диаграммы напряжений на нагрузке ничем не отличаются от процессов

в однофазной схеме. При отсутствии нулевого вывода процессы и диаграм-

мы существенно усложняются.

Фазовое регулирование может быть применено для регулирования

скорости асинхронного двигателя (см. рис. 14.1 д). Однако, из-за большого

содержания высших гармоник в токе, протекающем через фазы двигателя

при таком регулировании, понижение скорости может быть весьма кратко-

временным во избежание перегрева двигателя. Такое регулирование полу-

чило очень широкое применение в устройствах для ограничения пуско-

вых токов асинхронных двигателей. В устройствах для плавного пуска

асинхронных двигателей угол управления плавно уменьшается от началь-

ного значения до полного включения тиристоров. При этом пусковые токи

снижаются в 2…3 раза [61, 83, 84, 89, 91].

При импульсной модуляции на низкой частоте вредное влияние на

сеть может быть ослаблено при синхронизации группы тиристорных

регуляторов переменного напряжения. На рис. 14.3 а показаны диаграм-

мы токов при синхронизации трех преобразователей переменного напряже-

ния и приведен суммарный ток, потребляемый из сети. Колебания амплиту-

ды суммарного тока, потребляемого из сети, не превышают амплитуду тока

одного регулятора. При независимой работе регуляторов скачки тока могли

бы достигать суммы токов трёх регуляторов. На рис. 14.3 б показана зави-

симость результирующего коэффициента мощности от глубины регулиро-

вания при независимой работе регуляторов, а на рис. 14.3 в при синхрони-

зированном управлении. Из сравнения рисунков видно, что достигается су-

щественный эффект [18].