6.7 Ступенчатый метод регулирования переменного напряжения

Ступенчатый метод регулирования характеризуется ступенчатым изменением амплитуды (а также и действующего значения) переменного напряжения, подводимого к нагрузке, без изменения формы его кривой. Этот метод может быть реализован только при наличии сетевого трансформатора, вторичная обмотка которого должна иметь отпайки (смотри рисунок 47). Нагрузка подключается к этим отпайкам через встречно- параллельно включенные тиристоры. Импульсы управления поступают на соответствующую пару тиристоров при переходе переменного напряжения через ноль. Регулирование мощности в нагрузке осуществляется системой управления, которая производит избирательную подачу отпирающих импульсов на соответствующую пару встречно- параллельно включенных тиристоров.

На рисунке 47 приведена схема ТРН с сетевым трансформатором и отпайкой вторичной обмотки трансформатора. Встречно-параллельно включенные тиристоры (VT1 и VT2) подключены к отпайке вторичной обмотки (точка 1). К выводу вторичной обмотки трансформатора (точка 2) подключена вторая пара встречно- параллельно включенных тиристоров (VT3 и VT4). При включенных тиристорах VT1 и VT2 на нагрузку поступает напряжение, снимаемое с выводов 0-1 трансформатора. При включении тиристоров VT3 и VT4 на нагрузку поступает напряжение, снимаемое с выводов 0-2 трансформатора, которое больше по величине напряжения, снимаемого с выводов 0-1. На рисунке 48 приведены временные диаграммы, поясняющие реализацию ступенчатого способа регулирования напряжения переменного тока. Переключение обмоток 0-1 и 0-2 происходит в моменты времени пересечения кривой напряжения через ноль. Сложная конструкция трансформатора, обусловленная необходимостью наличия отпаек вторичной обмотки трансформатора, а также наличие большого количества тиристоров является недостатком этого метода регулирования.

Рисунок 47. ТРН с сетевым трансформатором и с отпайкой вторичной обмотки трансформатора

Достоинство этого метода регулирования заключается в отсутствии искажения формы кривой тока, потребляемого преобразователем из питающей сети, а также в отсутствии фазового сдвига тока относительно напряжения питающей сети (при чисто активной нагрузке).

Рисунок 48. Временные диаграммы, поясняющие ступенчатый способ регулирования переменного напряжения

Рисунок 49. Временные диаграммы, поясняющие фазо-ступенчатый способ регулирования переменного напряжения

6.8 Фазоступенчатый метод регулирования переменного напряжения.

Фазоступенчатый метод регулирования переменного напряжения реализуется при совместном использовании ступенчатого и фазовых методов регулирования. Этот метод реализуется также при наличии сетевого трансформатора с отпайками вторичной обмотки, число которых определяет число ступеней вторичного напряжения трансформатора (тиристорных пар).

Для реализации этого метода регулирования также можно использовать схему, приведенную на рисунке 47.

Существует двух-, трех-, четырех- и многоступенчатое фазовое регулирование.

Суть фазоступенчатого метода сводится к использованию фазового регулирования для плавного изменения действующего значения напряжения на нагрузке в пределах каждой ступени выходного напряжения. Осуществляя широкий диапазон плавного регулирования напряжения, фазоступенчатый метод обеспечивает более высокие значения коэффициента мощности по сравнению с фазовыми методами.

Если преобразователь осуществляет двуступенчатое регулирование, то в схеме должны быть установлены две пары встречно- параллельно включенных тиристоров, каждая из которых осуществляет регулирование напряжения на своей ступени. Рассмотрим принцип фазоступенчатого метода на примере двухступенчатого регулируемого преобразователя, схема которого приведена на рисунке 47. На рисунке 49 приведены временные диаграммы, поясняющие фазо-ступенчатый способ регулирования напряжения переменного тока.

Управляющие импульсы на отпирание тиристоров VT1 и VT2 низшей ступени подаются в моменты перехода напряжения переменного тока через нуль. Отпирание тиристоров VT3 и VT4 высшей ступени производят с отстающим фазовым сдвигом на угол α относительно указанных моментов времени.

При угле α=0⁰ моменты поступления отпирающих импульсов на включенные в одинаковом направлении тиристоры обеих групп (VT1, VT3 и VT2,VT4) совпадают. Однако управляющие импульсы приводят к поочередному отпиранию только тиристоров VT3, VT4 высшей ступени. Тиристоры VT1, VT2 остаются в закрытом состоянии под действием разности напряжений (U_2-0 –U_1-0), являющейся для них запирающей. Таким образом, при α=0⁰ напряжение на нагрузке определяется напряжением U_2-0 высшей ступени. Полуволна напряжения нагрузки положительной полярности формируется при открытом тиристоре VT3, а полуволна напряжения отрицательной полярности- при открытом тиристоре VT4.

При углах π> α >0 управляющие импульсы на отпирание тиристоров VT3, VT4 следуют с задержкой во времени относительно управляющих импульсов на отпирание тиристоров VT1, VT2. На интервалах α проводит либо тиристор VT1 (при положительной полярности напряжения U_0-1), либо тиристор VT2 (при отрицательной полярности напряжения U_0-1, в связи с сем на указанных интервалах кривая напряжения нагрузки определяется отрезками синусоиды напряжения U_0-1. Управляющий импульс, поступающий спустя интервал α на тиристор VT3 (или VT4), вызывает его отпирание и запирание под действием напряжения (u_2-0- u_1-0) ранее проводившего тиристора нижней ступени. Напряжение на нагрузке до окончания текущей полуволны напряжения питания определяется напряжением u_2-0 вторичной обмотки трансформатора.

Подача управляющих импульсов на тиристоры высшей ступени с углом α=180⁰ не приводит к их отпиранию, вседствие чего напряжение на нагрузке определяется синусоидой напряжения u_1-0 низшей ступени в условиях поочередной проводимости тиристоров VT1, VT2.

Таким образом, при плавном управлении углом α (моментом отпирания тиристоров VT3, VT4) преобразователь осуществляет изменение действующего значения напряжения на нагрузке в пределах от U_0-1 до U_0-2.

Регулировочную характеристику U_нг=f(α) можно построить по формуле (193):

(193)

После упрощения формулы получим:

(194)