[Home]

Тиристорный регулятор мощности

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.

Оглавление
Принцип действия регулятора мощности
Пример схемы 1 (регулятор мощности пылесоса LG)
Пример схемы 2 (регулятор мощности дрели)



Принцип действия регулятора мощности

Структурная схема тиристорного регулятора мощности Рис. 1

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 Рис. 2

На рис. 2 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. 1, 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. 3); использовать два встречно включённых тиристора, каждый с собственной схемой управления (рис. 4); использовать специально предназначенные для подобных случаев триаки (они же симисторы), рис 5.

Мост + тиристор как ключ с двусторонней проводимостью Рис. 3

Два встречно включенных тиристора как ключ с двусторонней проводимостью Рис. 4

Структурная схема симисторного регулятора мощности Рис. 5

Диаграммы работы симисторного регулятора мощности Рис. 6

Вариант на рис. 5 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. 7), 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 Рис. 7

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. 8) 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 Рис. 8

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).

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. 9 схема, построенная на основе сдвоенного переменного резистора.

Управление регулятором мощности Рис. 9

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.

Пример схемы 2 (регулятор мощности дрели)

На следующем рисунке приведена схема регулятора оборотов дрели. Здесь уже используется тиристор, электродвигатель питается выпрямленным током. Схема предельно упрощена, отсутствует гальваническая развязка между сетью и элементами управления; сама схема формирования управляющих импульсов для тиристора построена полностью на пассивных элементах и довольно примитивна. В результате характеристики схемы оказываются весьма посредственными (регулировка не плавная, скорее грубая, скорость вращения нестабильна). Кроме того, дрель является достаточно мощным потребителем и использование однополупериодного выпрямителя, который имеет постоянную составляющую потребляемого от сети тока, нельзя признать удачным решением. Эту схему следует рассматривать не как образец для подражания, а как подтверждение того, что схема управления тиристором/симистором может быть крайне простой.

Схема електрическая принципиальная дрели ДРЭ-2 (производства завода Диффузион) Рис. 10

author: hamper; date: 2017-03-09
  @Mail.ru