Тиристор т 160 параметры: Тиристоры серии Т

Как проверить тиристор тестером.

     Здравствуйте дорогие читатели. Часто в своих изделиях радиолюбители используют тиристоры и часто возникает необходимость их проверки на работоспособность. Вообще проверке должен подвергаться любой элемент схемы при ее сборке. Ведь из-за одной «паршивой овцы» может пройти мор по всем компонентам и блокам устройства.

     Схемы включения тиристора для его проверки приведены на рисунках. Рисунки с первого по четвертый подписаны – здесь надеюсь все понятно. Рис.5 и Рис.6 – проверяем сопротивление перехода управляющий электрод – катод в обоих направлениях. У КУ202, например, это сотни Ом, а у Т-160 – десятки Ом в обоих направлениях. Если собрать схемку, показанную на Рис.7 и подключить ее к источнику постоянного тока с напряжением, равным рабочему напряжению лампочки (нагрузка), то лампочка гореть не должна. При кратковременном замыкании контактов S5 лампа должна загореться и гореть постоянно, при условии, что ток протекающий через нее больше тока удержания конкретного тиристора. Вот выдержка из справочника для тиристоров Т-160.

Тиристоры Т-160 параметры

Ток удержания тиристора Т-160 – не более 0,25 ампера. Если ток протекающий через нагрузку (лампочку), будет меньше тока удержания, то лампочка будет гаснуть (тиристор будет закрываться) сразу после размыкания контактов S5. Если вместо постоянного напряжения подать переменное – Рис.8, то при замыкании контактов S6, тиристор Т8 должен открыться, а лампочка загореться в половину накала, так как открытый тиристор будет пропускать только одну полуволну переменного тока. При размыкании контактов S6 лампочка должна погаснуть. Если тиристор ведет себя так, как я рассказал, то тиристор исправен. Успехов всем. До свидания. К.В.Ю.

Обсудить эту статью на – форуме “Радиоэлектроника, вопросы и ответы”.

Просмотров:47 951

Мощный регулятор напряжения своими руками из т160 – схемы включения тиристоров

Тиристоры. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Тиристоры — это разновидность полупроводниковых приборов. Они предназначены для регулирования и коммутации больших токов. Тиристор позволяет коммутировать электрическую цепь при подаче на него управляющего сигнала. Это делает его похожим на транзистор.

Как правило, тиристор имеет три вывода, один из которых управляющий, а два других образуют путь для протекания тока. Как мы знаем, транзистор открывается пропорционально величине управляющего тока. Чем он больше, тем больше открывается транзистор, и наоборот. А у тиристора все устроено иначе. Он открывается полностью, скачкообразно. И что самое интересное, не закрывается даже при отсутствии управляющего сигнала.

Принцип действия

Рассмотрим работу тиристора по следующей простой схеме.

К аноду тиристора подключается лампочка или светодиод, а к ней подсоединяется плюсовой вывод источника питания через выключатель К2. Катод тиристора подключен к минусу питания. После включения цепи на тиристор подается напряжение, однако светодиод не горит.

Если нажать на кнопку К1, ток через резистор поступит на управляющий электрод, и светодиод начал светиться. Часто на схемах его обозначают буквой «G», что обозначает gate, или по-русски затвор (управляющий вывод).

Резистор ограничивает ток управляющего вывода. Минимальный ток срабатывания данного рассматриваемого тиристора составляет 1 мА, а максимально допустимый ток 15 мА. С учетом этого в нашей схеме подобран резистор сопротивлением 1 кОм.

Если снова нажать на кнопку К1, то это не повлияет на тиристор, и ничего не произойдет. Чтобы перевести тиристор в закрытое состояние, нужно отключить питание выключателем К2. Если же снова подать питание, то тиристор вернется в исходное состояние.

Этот полупроводниковый прибор, по сути, представляет собой электронный ключ с фиксацией. Переход в закрытое состояние происходит и тогда, когда напряжение питания на аноде уменьшается до определенного минимума, примерно 0,7 вольта.

Особенности устройства

Фиксация включенного состояния происходит благодаря особенности внутреннего устройства тиристора. Примерная схема выглядит таким образом:

Обычно он представляется в виде двух транзисторов разной структуры, связанных между собой. Опытным путем можно проверить, как работают транзисторы, подключенные по такой схеме. Однако, имеются отличия в вольтамперной характеристике. И еще нужно учитывать, что приборы изначально спроектированы так, чтобы выдерживать большие токи и напряжения. На корпусе большинства таких приборов имеется металлический отвод, на который можно закрепить радиатор для рассеивания тепловой энергии.

Тиристоры выполняются в различных корпусах. Маломощные приборы не имеют теплового отвода. Распространенные отечественные тиристоры выглядят следующим образом. Они имеют массивный металлический корпус и выдерживают большие токи.

Основные параметры тиристоров

• Максимально допустимый прямой ток. Это максимальное значение тока открытого тиристора. У мощных приборов оно достигает сотен ампер.
• Максимально допустимый обратный ток.
• Прямое напряжение. Это падение напряжения при максимальном токе.
• Обратное напряжение. Это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии, при котором тиристор может работать без нарушения его работоспособности.
• Напряжение включения. Это минимальное напряжение, приложенное к аноду. Здесь имеется ввиду минимальное напряжение, при котором вообще возможна работа тиристора.
• Минимальный ток управляющего электрода. Он необходим для включения тиристора.
• Максимально допустимый ток управления.
• Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Динамический параметр

Время перехода тиристора из закрытого состояния в открытое при поступлении сигнала.

Виды тиристоров

Различают несколько разновидностей тиристоров. Рассмотрим их классификацию.

По способу управления разделяют на:

• Диодные тиристоры, или по-другому динисторы. Они открываются импульсом высокого напряжения, которое подается на катод и анод.
• Триодные тиристоры, или тринисторы. Они открываются током управления электродом.

Триодные тиристоры в свою очередь разделяются:

• Управление катодом – напряжение, образующее ток управления, поступает на электрод управления и катод.
• Управление анодом – управляющее напряжение подходит на электрод и анод.

Запирание тиристора производится:

• Уменьшением анодного тока – катод меньше тока удержания.
• Подачей напряжения запирания на электрод управления.

По обратной проводимости тиристоры делятся:

• Обратно-проводящие – имеют малое обратное напряжение.
• Обратно-непроводящие – обратное напряжение равно наибольшему прямому напряжению в закрытом виде.
• С ненормируемым обратным значением напряжения – изготовители не определяют значение этой величины. Такие приборы применяются в местах, где обратное напряжение исключено.
• Симистор – пропускает токи в двух направлениях.

Используя симисторы, нужно знать, что они действуют условно симметрично. Основная часть симисторов открывается, когда на электрод управления поступает положительное напряжение по сравнению с катодом, а на аноде может быть любая полярность. Но если на анод приходит отрицательное напряжение, а на электрод управления положительное, то симисторы не открываются, и могут выйти из строя.

По быстродействию разделяют по времени отпирания (включения) и времени запирания (отключения).

Разделение тиристоров по мощности

При действии тиристора в режиме ключа наибольшая мощность коммутируемой нагрузки определяется напряжением на тиристоре в открытом виде при наибольшем токе и наибольшей рассеиваемой мощности.

Действующая величина тока на нагрузку не должна быть выше наибольшей рассеиваемой мощности, разделенной на напряжение в открытом виде.

Простая сигнализация на основе тиристора

На основе тиристора можно сделать простую сигнализацию, которая будет реагировать на свет, издавая звук с помощью пьезоизлучателя. На управляющий вывод тиристора подается ток через фоторезистор и подстроечный резистор. Свет, попадая на фоторезистор, уменьшает его сопротивление. И на управляющий вывод тиристора начинает поступать отпирающий ток, достаточный для его открывания. После этого включается пищалка.

Подстроечный резистор предназначен для того, чтобы настроить чувствительность устройства, то есть, порог срабатывания при облучении светом. Самое интересное, что даже при отсутствии света тиристор продолжает оставаться в открытом состоянии, и сигнализирование не прекращается.

Если напротив светочувствительного элемента установить световой луч так, чтобы он светил немного ниже окошечка, то получится простейший датчик дыма. Дым, попадая между источником и приемником света, будет рассеивать свет, что вызовет запуск сигнализации. Для этого устройства обязательно нужен корпус, для того, чтобы на приемник света не поступал свет от солнца или искусственных источников света.

Открыть тиристор можно и другим способом. Для этого достаточно кратковременно подать небольшое напряжение между управляющим выводом и катодом.

Регулятор мощности на тиристоре

Теперь рассмотрим использование тиристора по прямому назначению. Рассмотрим схему простого тиристорного регулятора мощности, который будет работать от сети переменного тока напряжением 220 вольт. Схема простая и содержит всего пять деталей.

• Полупроводниковый диод VD.
• Переменный резистор R1.
• Постоянный резистор R2.
• Конденсатор С.
• Тиристор VS.

Их рекомендованные номинальные значения показаны на схеме. В качестве диода можно использовать КД209, тиристор КУ103В или мощнее. Резисторы желательно использовать мощностью не менее 2 ватт, конденсатор электролитический на напряжение не менее 50 вольт.

Эта схема регулирует лишь один полупериод сетевого напряжения. Если представить, что мы из схемы убрали все элементы, кроме диода, то он будет пропускать только полуволну переменного тока, и на нагрузку, к примеру, на паяльник или лампу накаливания поступит лишь половина мощности.

Тиристор позволяет пропускать дополнительные, условно говоря, кусочки полупериода, срезанного диодом. При изменении положения переменного резистора R1 напряжение на выходе будет меняться.

К положительному выводу конденсатора включен управляющий вывод тиристора. Когда напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения включения тиристора, он открывается и пропускает определенную часть положительного полупериода. Переменный резистор будет определять скорость зарядки конденсатора. А чем быстрее он зарядится, тем раньше откроется тиристор, и успеет до смены полярности пропустить часть положительного полупериода.

На конденсатор отрицательная полуволна не поступает, и напряжение на нем одной полярности, поэтому не страшно, что он имеет полярность. Схема позволяет изменять мощность от 50 до 100%. Для паяльника это в самый раз подходит.

Тиристор пропускает ток в одном направлении от анода к катоду. Но существуют разновидности, которые пропускают ток в обоих направлениях. Они называются симметричные тиристоры или симисторы. Они используются для управления нагрузкой в цепях переменного тока. Существует большое количество схем регуляторов мощности на их основе.

Перед тем как разбираться с темой «тиристор – принцип работы», необходимо понять, что собой представляет этот небольшой прибор. По сути, это силовой ключ, только он всегда находится в открытом состоянии. Поэтому его часто называют не полностью управляемый ключ.

Тиристор

Необходимо отметить, что по своему устройству тиристор напоминает обыкновенный транзистор или диод. Правда, есть и существенные отличия. К примеру, диод – это полупроводниковый двухслойный элемент на кремневой основе (PN), транзистор – трехслойный (PNP или NPN), тиристор – четырехслойный (PNPN). То есть, у него три перехода p-n. Именно поэтому диодные выпрямители перед тиристорными являются менее эффективными. Это хорошо видно на схеме управления тиристорами.

Конструкция и принцип действия

Состоит тиристорный ключ из трех частей:

• Анод.
• Катод.
• Вход.

Последний состоит из трех переходов p-n. При этом переключение переходов производится с очень большой скоростью. Вообще, принцип работы тиристора можно объяснить лучше, если рассмотреть схему связки двух транзисторов, связанных параллельно, как выключатели комплементарно регенеративного действия.

Конструкция тиристора

Итак, самая простейшая схема двух транзисторов, совмещенных так, чтобы при пуске ток коллектора поступал на NPN второго прибора через каналы NPN первого. А в это же время ток проходит обратный путь через первый транзистор на второй. По сути, получается достаточно простая связка, где база-эмиттер одного из транзисторов, в нашем случае второго, получает ток от коллектора-эмиттера другого прибора, то есть, первого.

Цепь постоянного тока

В цепи постоянного тока тиристор работает по принципу подачи импульса положительной полярности, конечно, относительно катода. На длительность перехода из одного состояния в другое оказывает большое воздействие ряд характеристик. А именно:

• Вид нагрузки (индуктивный, активный и прочее).
• Скорость нарастания импульса и его амплитуда, имеется в виду ток нагрузки.
• Величина самой токовой нагрузки.
• Напряжение в цепи.
• Температура самого прибора.

Здесь самое важное, чтобы в сети, где установлен данный прибор, не произошло резкое возрастание напряжения. В этом случае может произойти самопроизвольное включение тиристора, а сигнал управления будет в это время отсутствовать.

Цепь переменного тока

В этой сети тиристорный ключ работает немного по-другому. Этот прибор дает возможность проводить несколько видов операций. К примеру:

• Включение и отключение цепи, в которое действует активная или активно-реактивная нагрузки.
• Можно изменять значение действующей нагрузки и ее средней величины за счет возможности изменять (регулировать) подачу самого сигнала управления.

Тиристор в цепи переменного тока.

Но имейте в виду, что тиристорный ключ может пропускать сигнал только в одном направлении. Поэтому сами тиристоры устанавливаются в цепь, так сказать, во встречно-параллельном включении.

Регулятор мощности на тиристорах т160

Устройства, позволяющие управлять работой электрических приборов, подстраивая их под оптимальные характеристики для пользователя, прочно вошли в обиход. Одним из таких приспособлений является регулятор мощности. Применение таких регуляторов востребовано при использовании электронагревательных и осветительных приборов и в устройствах с двигателями. Схемотехника регуляторов разнообразна, поэтому порой бывает затруднительно подобрать себе оптимальный вариант.

Простейший регулятор энергии

Первые разработки устройств, изменяющие подводимую к нагрузке мощность, были основаны на законе Ома: электрическая мощность равняется произведению тока на напряжение или произведению сопротивления на ток в квадрате. На этом принципе и сконструирован прибор, получивший название — реостат. Он располагается как последовательно, так и параллельно подключённой нагрузке. Изменяя его сопротивление, регулируется и мощность.

Ток, поступая на реостат, разделяется между ним и нагрузкой. При последовательном включении контролируются сила тока и напряжение, а при параллельном — только значение разности потенциалов. В зависимости от материала, из которого изготовлено сопротивление, реостаты могут быть:

• металлическими;
• жидкостными;
• угольными;
• керамическими.

Согласно закону сохранения энергии, забранная электрическая энергия не может просто исчезнуть, поэтому в резисторах мощность преобразуется в теплоту, и при большом её значении должна от них отводиться. Для обеспечения отвода используется охлаждение, которое выполняется с помощью обдува или погружением реостата в масло.

Реостат — довольно универсальное приспособление. Единственный, но существенный его минус — это выделение тепла, что не позволяет выполнить устройство с небольшими размерами при необходимости пропускать через него мощность большой величины. Управляя силой тока и напряжения, реостат часто используется в маломощных линиях бытовых приборов. Например, в аудиоаппаратуре для регулировки громкости. Выполнить такой регулятор тока своими руками совсем несложно, в большей мере это касается проволочного реостата.

Для его изготовления понадобится константовая или нихромовая проволока, которая наматывается на оправку. Регулирование электрической мощности происходит путём изменения длины проволоки.

Виды современных устройств

Развитие полупроводниковой техники позволило осуществить управление мощностью, используя радиоэлементы с коэффициентом полезного действия от восьмидесяти процентов. Это дало возможность их комфортно применить в сети с напряжением 220 вольт, не требуя при этом больших систем охлаждения. А появление интегральных микросхем и вовсе позволило достичь миниатюрных размеров всего регулятора в целом.

На сегодняшний момент производство выпускает следующие типы приборов:

1. Фазовые. Используются для управления яркости свечения ламп накаливания или галогенных ламп. Другое их название — диммеры.
2. Тиристорные. В основе работы лежит использование задержки включения тиристорного ключа на полупериоде переменного тока.
3. Симисторные. Мощность регулируется вследствие изменения количества полупериодов напряжения, которые действуют на нагрузку.
4. Регулятор хода. Позволяет плавно изменять электрическую мощность, подаваемую на электродвигатель.

При этом регулировка происходит независимо от формы входного сигнала. По своему виду расположения приборы управления разделяются на портативные и стационарные. Они могут выполняться как в независимом корпусе, так и интегрироваться в аппаратуру. К основным параметрам, характеризующим регуляторы электрической энергии, относят:

• плавность регулировки;
• рабочую и пиковую подводимую мощность;
• диапазон входного рабочего сигнала;
• КПД.

Таким образом, современный регулятор электрической мощности представляет собой электронную схему, использование которой позволяет контролировать количество энергии, пропускаемой через него.

Тиристорный прибор управления

Принцип действия такого прибора не отличается особой сложностью. В основном тиристорный преобразователь используется для управления устройствами малой мощности. Типовая схема тиристорного регулятора мощности состоит непосредственно из самого тиристора, биполярных транзисторов и резисторов, устанавливающих их рабочую точку, и конденсатора.

Транзисторы, работая в ключевом режиме, формируют импульсный сигнал. Как только значение напряжения на конденсаторе сравнивается с рабочим, транзисторы открываются. Сигнал подаётся на управляющий вывод тиристора, открывая и его. Конденсатор разряжается и ключ запирается. Так повторяется в цикле. Чем больше задержка, тем в нагрузку поступает меньше мощности.

Преимущества такого типа регулятора в том, что он не требует настройки, а недостаток в чрезмерном нагреве. Для борьбы с перегревом тиристора используется активная или пассивная система охлаждения.

Используется такого типа регулятор для преобразования мощности, подающейся как к бытовым приборам (паяльник, электронагреватель, спиральная лампа), так и к промышленным (плавный запуск мощных силовых установок). Схемы включения могут быть однофазными и трёхфазными. Наиболее применяемые: ку202н, ВТ151, 10RIA40M.

Симисторный преобразователь мощности

Симистор — полупроводниковый прибор, предназначенный для использования в цепи переменного тока. Отличительной чертой прибора является то, что его выводы не имеют разделения на анод и катод. В отличие от тиристора, пропускающего ток только в одну сторону, симистор проводит ток в обоих направлениях. Именно поэтому он используется в сетях переменного тока.

Важное отличие симисторных схем от тиристорных состоит в том, что нет необходимости в выпрямительном устройстве. Принцип действия основан на фазном управлении, то есть на изменении момента открытия симистора относительно перехода переменного напряжения через ноль. Такое устройство позволяет управлять нагревателями, лампами накаливания, оборотами электродвигателя. Сигнал на выходе симистора имеет пилообразную форму с управляемой длительностью импульса.

Самостоятельное изготовление такого вида приборов проще, чем тиристорного. Широкую популярность получили симисторы средней мощности типа: BT137–600E, MAC97A6, MCR 22−6. Схема регулятора мощности на симисторе с использованием таких элементов отличается простотой изготовления и отсутствия необходимости в настройке.

Фазовый способ трансформации

Сам по себе диммер имеет широкую область применения. Одним из вариантов его использования является регулировка интенсивности освещения. Электрическая схема прибора чаще всего реализуется на специализированных микроконтроллерах, использующих в своей работе встроенную электронную схему понижения напряжения. Из-за этого диммеры способны плавно изменять мощность, но чувствительны к помехам.

Фазовые регуляторы мощности не стабилизируются с помощью стабилитронов, а в качестве стабилизатора используют попарно работающие тиристоры. Основа их работы лежит в изменении угла открывания ключевого тиристора, в результате чего на нагрузку поступают сигналы с отрезанной начальной частью полупериода, снижая действующую величину напряжения. К недостаткам диммеров относят высокий коэффициент пульсаций и низкий коэффициент мощности выходного сигнала.

При работе диммеров в широком спектре частот возбуждаются электромагнитные помехи. Такие излучения приводят к снижению КПД из-за появления паразитного тока в проводниках. Для борьбы с такими токами в конструкцию добавляются индуктивно-ёмкостные фильтры.

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.

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.

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.

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 регуляторы мощности являются одной из самых распространенных радиолюбительских конструкций, и в этом нет ничего удивительного. Ведь всем, кто когда-нибудь пользовался обычным 25 – 40 ваттным паяльником, способность его к перегреванию даже очень известна. Паяльник начинает дымить и шипеть, потом, достаточно скоро, облуженное жало выгорает, становится черным. Паять таким паяльником уже совсем невозможно.

И вот тут на помощь и приходит регулятор мощности, с помощью которого можно достаточно точно выставить температуру для пайки. Ориентироваться следует на то, чтобы при касании паяльником куска канифоли она дымила ну, так, средне, без шипения и брызг, не очень энергично. Ориентироваться следует на то, чтобы пайка получалась контурной, блестящей.

Конечно, современные паяльные станции оснащены паяльниками с термостабилизацией, цифровой индикацией и регулировкой температуры нагрева, но они слишком дороги по сравнению с обычным паяльником. Поэтому, при незначительных объемах паяльных работ, вполне можно обойтись обычным паяльником с тиристорным регулятором мощности. При этом качество пайки, может быть не сразу, получится отличным, – достигается практикой.

Другая область применения тиристорных регуляторов это управление яркостью светильников. Такие регуляторы продаются в магазинах электротоваров в виде обычных настенных выключателей с крутящейся ручкой. Но вот тут-то покупателя и подстерегает засада: современные энергосберегающие лампы (часто в литературе их называют компактные люминесцентные лампы (КЛЛ)) просто не хотят работать с такими регуляторами.

Такой же непредсказуемый вариант получится и в случае регулирования яркости светодиодных ламп. Ну, не предназначены они для такой работы и все тут: выпрямительный мост с электролитическим конденсатором, расположенный внутри КЛЛ, просто не даст работать тиристору. Поэтому регулируемый «ночник» с таким регулятором можно создать только с использованием лампы накаливания.

Однако, здесь следует вспомнить про электронные трансформаторы, предназначенные для питания галогенных ламп, а в радиолюбительских конструкциях в самых разных целях. В этих трансформаторах после выпрямительного моста почему-то, видимо в целях экономии, или просто для уменьшения габаритов, не устанавливается электролитический конденсатор. Именно эта «экономия» позволяет регулировать яркость ламп с помощью тиристорных регуляторов.

Если напрячь фантазию, то можно найти еще немало областей, где требуется применение тиристорных регуляторов. Одна из таких областей это регулирование оборотов электроинструмента: дрелей, болгарок, шуроповертов, перфораторов и т.д. и т.п. Естественно, что тиристорные регуляторы находятся внутри инструментов, работающих от сети переменного тока. Смотрите – Виды и устройство регуляторов оборотов коллекторных двигателей .

Весь такой регулятор встроен в кнопку управления и представляет собой небольших размеров коробочку, вставляемую в рукоятку дрели. Степень нажатия на кнопку определяет частоту вращения патрона. В случае выхода из строя меняется вся коробочка сразу: при всей кажущейся простоте конструкции такой регулятор абсолютно не пригоден для ремонта.

В случае инструментов, работающих на постоянном токе от аккумуляторов, регулирование мощности производится с помощью транзисторов MOSFET методом широтно-импульсной модуляции. Частота ШИМ достигает нескольких килогерц, поэтому сквозь корпус шуроповерта можно услышать писк высокой частоты. Это пищат обмотки двигателя.

Но в этой статье будут рассмотрены только тиристорные регуляторы мощности. Поэтому, прежде, чем рассматривать схемы регуляторов, следует вспомнить, как же работает тиристор.

Чтобы не усложнять рассказ, не будем рассматривать тиристор в виде его четырехслойной p-n-p-n структуры, рисовать вольтамперную характеристику, а просто на словах опишем, как же он, тиристор, работает. Для начала в цепи постоянного тока, хотя в этих цепях тиристоры почти не применяются. Ведь выключить тиристор, работающий на постоянном токе достаточно сложно. Все равно, что коня на скаку остановить.

И все же большие токи и высокие напряжения тиристоров привлекают разработчиков различной, как правило, достаточно мощной аппаратуры постоянного тока. Для выключения тиристоров приходится идти на различные усложнения схем, ухищрения, но в целом результаты получаются положительными.

Обозначение тиристора на принципиальных схемах показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Тиристор

Нетрудно заметить, что по своему обозначению на схемах, тиристор очень похож на обычный диод. Если разобраться, то он, тиристор, тоже обладает односторонней проводимостью, а следовательно, может выпрямлять переменный ток. Вот только делать это он будет лишь в том случае, когда на управляющий электрод подано относительно катода положительное напряжение, как показано на рисунке 2. По старой терминологии тиристор иногда называли управляемым диодом. Покуда не подан управляющий импульс, тиристор закрыт в любом направлении.

Как включить светодиод

Здесь все очень просто. К источнику постоянного напряжения 9В (можно использовать батарейку «Крона») через тиристор Vsx подключен светодиод HL1 с ограничительным резистором R3. С помощью кнопки SB1 напряжение с делителя R1, R2 может быть подано на управляющий электрод тиристора, и тогда тиристор откроется, светодиод начинает светиться.

Если теперь отпустить кнопку, перестать ее удерживать в нажатом состоянии, то светодиод должен продолжать светиться. Такое кратковременное нажатие на кнопку можно назвать импульсным. Повторное и даже многократное нажатие этой кнопки ничего не изменит: светодиод не погаснет, но и не станет светить ярче или тусклее.

Нажали – отпустили, а тиристор остался в открытом состоянии. Причем, это состояние является устойчивым: тиристор будет открыт до тех пор, пока из этого состояния его не выведут внешние воздействия. Такое поведение схемы говорит об исправном состоянии тиристора, его пригодности для работы в разрабатываемом или ремонтируемом устройстве.

Маленькое замечание

Но из этого правила часто случаются исключения: кнопку нажали, светодиод зажегся, а когда кнопку отпустили, то погас, как, ни в чем не бывало. И в чем же тут подвох, что сделали не так? Может кнопку нажимали недостаточно долго или не очень фанатично? Нет, все было сделано достаточно добросовестно. Просто ток через светодиод оказался меньше, чем ток удержания тиристора.

Чтобы описанный опыт прошел удачно, надо просто заменить светодиод лампой накаливания, тогда ток станет больше, либо подобрать тиристор с меньшим током удержания. Этот параметр у тиристоров имеет значительный разброс, иногда даже приходится тиристор для конкретной схемы подбирать. Причем одной марки, с одной буквой и из одной коробки. Несколько лучше с этим током у импортных тиристоров, которым в последнее время отдается предпочтение: и купить проще, и параметры лучше.

Как закрыть тиристор

Никакие сигналы, поданные на управляющий электрод, закрыть тиристор и погасить светодиод не смогут: управляющий электрод может только включить тиристор. Существуют, конечно, запираемые тиристоры, но их назначение несколько иное, чем банальные регуляторы мощности или простые выключатели. Обычный тиристор можно выключить лишь только прервав ток через участок анод – катод.

Сделать это можно, как минимум, тремя способами. Во-первых, тупо отключить всю схему от батарейки. Вспоминаем рисунок 2. Естественно, что светодиод погаснет. Но при повторном подключении он сам по себе не включится, поскольку тиристор остался в закрытом состоянии. Это состояние также является устойчивым. И вывести его из этого состояния, Зажечь свет, поможет только нажатие кнопки SB1.

Второй способ прервать ток через тиристор это просто взять и замкнуть выводы катода и анода проволочной перемычкой. При этом весь ток нагрузки, в нашем случае это всего – лишь светодиод, потечет через перемычку, а ток через тиристор будет равен нулю. После того, как перемычка будет убрана, тиристор закроется, и светодиод погаснет. При опытах с подобными схемами в качестве перемычки чаще всего используется пинцет.

Предположим, что вместо светодиода в этой схеме будет достаточно мощная нагревательная спираль с большой тепловой инерцией. Тогда получается практически готовый регулятор мощности. Если коммутировать тиристор таким образом, что на 5 секунд спираль включена и столько же времени выключена, то в спирали выделяется 50-ти процентная мощность. Если же за время этого десятисекундного цикла включение производится лишь на 1 секунду, то совершенно очевидно, что спираль выделит только 10% тепла от своей мощности.

Примерно с такими временными циклами, измеряемыми в секундах, работает регулировка мощности в микроволновой печи. Просто с помощью реле включается и выключается ВЧ излучение. Тиристорные регуляторы работают на частоте питающей сети, где время измеряется уже миллисекундами.

Третий способ выключения тиристора

Состоит в том, чтобы до нуля уменьшить напряжение питания нагрузки, а то и вовсе изменить полярность питающего напряжения на противоположную. Именно такая ситуация получается при питании тиристорных схем переменным синусоидальным током.

При переходе синусоиды через нуль, она меняет знак на противоположный, поэтому ток через тиристор становится меньше тока удержания, а затем и вовсе равным нулю. Таким образом, проблема выключения тиристора решается как бы сама собой.

Тиристорные регуляторы мощности. Фазовое регулирование

Итак, дело осталось за малым. Чтобы получилось фазовое регулирование, надо просто в определенное время подать управляющий импульс. Другими словами импульс должен иметь определенную фазу: чем ближе он будет расположен к концу полупериода переменного напряжения, тем меньшая амплитуда напряжения окажется на нагрузке. Фазовый способ регулирования показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Фазовое регулирование

В верхнем фрагменте картинки управляющий импульс подается почти в самом начале полупериода синусоиды, фаза управляющего сигнала близка к нулю. На рисунке это время t1, поэтому тиристор открывается почти в начале полупериода, а в нагрузке выделяется мощность близкая к максимальной (если бы в цепи не было тиристоров, мощность была бы максимальной).

Сами управляющие сигналы на этом рисунке не показаны. В идеальном варианте они представляют собой короткие положительные относительно катода импульсы, поданные в определенной фазе на управляющий электрод. В простейших схемах это может быть линейно нарастающее напряжение, получаемое при заряде конденсатора. Об этом будет рассказано несколько ниже.

На среднем графике управляющий импульс подается в средине полупериода, что соответствует фазовому углу Π/2 или моменту времени t2, поэтому в нагрузке выделяется лишь половина максимальной мощности.

На нижнем графике открывающие импульсы подаются очень близко к окончанию полупериода, тиристор открывается почти перед тем, как ему предстоит закрыться, по графику это время обозначено как t3, соответственно мощность в нагрузке выделяется незначительная.

Схемы включения тиристоров

После краткого рассмотрения принципа работы тиристоров, наверное, можно привести несколько схем регуляторов мощности. Нового здесь ничего не изобретено, все можно найти в сети Интернет или в старых радиотехнических журналах. Просто в статье приводится краткий обзор и описание работы схем тиристорных регуляторов. При описании работы схем будет обращаться внимание на то, каким образом используются тиристоры, какие существуют схемы включения тиристоров.

Как было сказано в самом начале статьи, тиристор выпрямляет переменное напряжение как обычный диод. Получается однополупериодное выпрямление. Когда-то именно так, через диод, включались лампы накаливания на лестничных клетках: света совсем чуть, в глазах рябит, но зато лампы перегорают очень редко. То же самое получится, если светорегулятор выполнить на одном тиристоре, только появляется еще возможность регулирования уже и так незначительной яркости.

Поэтому регуляторы мощности управляют обоими полупериодами сетевого напряжения. Для этого применяется встречно – параллельное включение тиристоров, симисторы или включение тиристора в диагональ выпрямительного моста.

Для наглядности этого утверждения далее будут рассмотрены несколько схем тиристорных регуляторов мощности. Иногда их называют регуляторами напряжения, и какое название вернее, решить трудно, ведь вместе с регулированием напряжения регулируется и мощность.

Простейший тиристорный регулятор

Он предназначен для регулирования мощности паяльника. Его схема показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема простейшего тиристорного регулятора мощности

Регулировать мощность паяльника, начиная от нуля, нет никакого смысла. Поэтому можно ограничиться регулированием только одного полупериода сетевого напряжения, в данном случае положительного. Отрицательный полупериод проходит без изменений через диод VD1 сразу на паяльник, что обеспечивает его половинную мощность.

Положительный полупериод проходит через тиристор VS1, позволяющий осуществлять регулирование. Цепь управления тиристором предельно проста. Это резисторы R1, R2 и конденсатор C1. Конденсатор заряжается по цепи: верхний провод схемы, R1, R2 и конденсатор C1, нагрузка, нижний провод схемы.

К плюсовому выводу конденсатора подключен управляющий электрод тиристора. Когда напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения включения тиристора, последний открывается, пропуская в нагрузку положительный полупериод напряжения, вернее его часть. Конденсатор C1 при этом, естественно, разряжается, тем самым подготавливаясь к следующему циклу.

Скорость заряда конденсатора регулируется с помощью переменного резистора R1. Чем быстрее конденсатор зарядится до напряжения открывания тиристора, тем раньше тиристор откроется, тем большая часть положительного полупериода напряжения поступит в нагрузку.

Схема простая, надежная, для паяльника вполне подходит, хотя регулирует лишь один полупериод сетевого напряжения. Очень похожая схема показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Тиристорный регулятор мощности

Она несколько сложней предыдущей, но позволяет осуществлять регулировку более плавно и точно, благодаря тому, что схема формирования управляющих импульсов собрана на двухбазовом транзисторе КТ117. Этот транзистор предназначен для создания генераторов импульсов. Больше, кажется, ни на что другое не способен. Подобная схема используется во многих регуляторах мощности, а также в импульсных блоках питания в качестве формирователя запускающего импульса.

Как только напряжение на конденсаторе C1 достигает порога срабатывания транзистора, последний открывается и на выводе Б1 появляется положительный импульс, открывающий тиристор VS1. Резистором R1 можно регулировать скорость заряда конденсатора.

Чем быстрее зарядится конденсатор, тем раньше появится открывающий импульс, тем большее напряжение поступит в нагрузку. Вторая полуволна сетевого напряжения проходит в нагрузку через диод VD3 без изменений. Для питания схемы формирователя управляющих импульсов используется выпрямитель VD2, R5, стабилитрон VD1.

Тут можно спросить, а когда же откроется транзистор, каков же порог срабатывания? Открывание транзистора происходит в тот момент, когда напряжение на его эмиттере Э превысит напряжение на базе Б1. Базы Б1 и Б2 не равноценны, если их поменять местами, то генератор не заработает.

На рисунке 6 показана схема, позволяющая регулировать оба полупериода напряжения.

Схема представляет собой светорегулятор. Сетевое напряжение выпрямляется мостом VD1-VD4, после которого пульсирующее напряжение подается на лампу EL1, тиристор VS1, а через резисторы R3, R4 на стабилитроны VD5, VD6, от которых питается схема управления. Использование в схеме выпрямительного моста позволяет осуществить регулирование положительного и отрицательного полупериодов с использованием всего одного тиристора.

Схема управления выполнена также на двухбазовом транзисторе КТ117А. Скорость заряда времязадающего конденсатора C2 изменяется резистором R6 отчего меняется фаза управляющего тиристором сигнала.

По поводу этой схемы можно сделать небольшое замечание: ток в нагрузке состоит лишь из положительных полупериодов сети, полученных после мостового выпрямителя. Если требуется в нагрузке получить положительную и отрицательную части синусоиды, достаточно, ничего не меняя в схеме, включить нагрузку сразу после предохранителя. На место нагрузки следует просто установить перемычку. Такая схема показана на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема тиристорного регулятора мощности

Транзистор КТ117 изобретение советской электронной промышленности и зарубежных аналогов не имеет, но при необходимости может быть собран из двух транзисторов по схеме, показанной на рисунке 8. Вдруг кто-то возьмется собирать подобную схему, где такой транзистор взять?

В схемах, показанных на рисунках 6 и 7, тиристор используется в сочетании с диодным мостом. Такое включение дает возможность с помощью одного тиристора управлять обоими полупериодами переменного напряжения. Но вместе с тем появляются 4 дополнительных диода, что в целом увеличивает габариты конструкции.

Испытанная временем схема регулирования тока мощных потребителей отличается простотой в наладке, надежностью в эксплуатации и широкими потребительскими возможностями. Она хорошо подходит для управления режимом сварки, для пуско-зарядных устройств и для мощных узлов автоматики.

Принципиальная схема

При питании мощных нагрузок постоянным током часто применяется схема (рис.1) выпрямителя на четырех силовых вентилях. Переменное напряжение подводится к одной диагонали “моста”, выходное постоянное (пульсирующее) напряжение снимается с другой диагонали. В каждом полупериоде работает одна пара диодов (VD1-VD4 или VD2-VD3).

Это свойство выпрямительного “моста” существенно: суммарная величина выпрямленного тока может достигать удвоенной величины предельного тока для каждого диода. Предельное напряжение диода не должно быть ниже амплитудного входного напряжения.

Поскольку класс напряжения силовых вентилей доходит до четырнадцатого (1400 В), с этим для бытовой электросети проблем нет. Существующий запас по обратному напряжению позволяет использовать вентили с некоторым перегревом, с малыми радиаторами (не злоупотреблять!).

Рис. 1. Схема выпрямителя на четырех силовых вентилях.

Внимание! Силовые диоды с маркировкой “В” проводят ток, “подобно” диодам Д226 (от гибкого вывода к корпусу), диоды с маркировкой “ВЛ” – от корпуса к гибкому выводу.

Использование вентилей различной проводимости позволяет выполнить монтаж всего на двух двойных радиаторах. Если же с корпусом устройства соединить “корпуса” вентилей “ВЛ” (выход “минус”), то останется изолировать всего один радиатор, на котором установлены диоды с маркировкой “В”. Такая схема проста в монтаже и “наладке”, но возникают трудности, если приходится регулировать ток нагрузки.

Если со сварочным процессом все понятно (присоединять “балласт”), то с пусковым устройством возникают огромные проблемы. После пуска двигателя огромный ток не нужен и вреден, поэтому необходимо его быстро отключить, так как каждое промедление укорачивает срок службы батареи (нередко батареи взрываются!).

Очень удобна для практического исполнения схема, показанная на рис.2, в которой функции регулирования тока выполняют тиристоры VS1, VS2, в этот же выпрямительный мост включены силовые вентили VD1, VD2. Монтаж облегчается тем, что каждая пара “диод-тиристор” крепится на своем радиаторе. Радиаторы можно применить стандартные (промышленного изготовления).

Другой путь – самостоятельное изготовление радиаторов из меди, алюминия толщиной свыше 10 мм. Для подбора размеров радиаторов необходимо собрать макет устройства и “погонять” его в тяжелом режиме. Неплохо, если после 15-минутной нагрузки корпуса тиристоров и диодов не будут “обжигать” руку (напряжение в этот момент отключить!).

Корпус устройства необходимо выполнить так, чтобы обеспечивалась хорошая циркуляция нагретого устройством воздуха. Не помешает установка вентилятора, который “помогает” прогонять воздух снизу вверх. Удобны вентиляторы, устанавливаемые в стойках с компьютерными платами либо в “советских” игровых автоматах.

Рис. 2. Схема регулятора тока на тиристорах.

Возможно выполнение схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах (рис.3). Нижняя (по схеме) пара тиристоров VS3, VS4 запускается импульсами от блока управления.

Импульсы приходят одновременно на управляющие электроды обоих тиристоров. Такое построение схемы “диссонирует” с принципами надежности, но время подтвердило работоспособность схемы (“сжечь” тиристоры бытовая электросеть не может, поскольку они выдерживают импульсный ток 1600 А).

Тиристор VS1 (VS2) включен как диод – при положительном напряжении на аноде тиристора через диод VD1 (или VD2) и резистор R1 (или R2) на управляющий электрод тиристора будет подан отпирающий ток. Уже при напряжении в несколько вольт тиристор откроется и до окончания полуволны тока будет проводить ток.

Второй тиристор, на аноде которого было отрицательное напряжение, не будет запускаться (это и не нужно). На тиристоры VS3 и VS4 из схемы управления приходит импульс тока. Величина среднего тока в нагрузке зависит от моментов открывания тиристоров – чем раньше приходит открывающий импульс, тем большую часть периода соответствующий тиристор будет открыт.

Рис. 3. Схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах.

Открывание тиристоров VS1, VS2 через резисторы несколько “притупляет” схему: при низких входных напряжениях угол открытого состояния тиристоров оказывается малым – в нагрузку проходит заметно меньший ток, чем в схеме с диодами (рис.2).

Таким образом, данная схема вполне пригодна для регулировки сварочного тока по “вторичке” и выпрямления сетевого напряжения, где потеря нескольких вольт несущественна.

Эффективно использовать тиристорный мост для регулирования тока в широком диапазоне питающих напряжений позволяет схема, показанная на рис.4,

Устройство состоит из трех блоков:

1. силового;
2. схемы фазоимпульсного регулирования;
3. двухпредельного вольтметра.

Трансформатор Т1 мощностью 20 Вт обеспечивает питание блока управления тиристорами VS3 и VS4 и открывание “диодов” VS1 и VS2. Открывание тиристоров внешним блоком питания эффективно при низком (автомобильном) напряжении в силовой цепи, а также при питании индуктивной нагрузки.

Рис. 4. Тиристорный мост для регулировки тока в широком диапазоне.

Рис. 5. Принципиальная схема блока управления тиристорами.

Открывающие импульсы тока с 5-вольтовых обмоток трансформатора подводятся в противофазе к управляющим электродам VS1, VS2. Диоды VD1, VD2 пропускают к управляющим электродам только положительные полуволны тока.

Если фазировка открывающих импульсов “подходит”, то тиристорный выпрямительный мост будет работать, иначе тока в нагрузке не будет.

Этот недостаток схемы легко устраним: достаточно повернуть наоборот сетевую вилку питания Т1 (и пометить краской, как нужно подключать вилки и клеммы устройств в сеть переменного тока). При использовании схемы в пуско-зарядном устройстве заметно увеличение отдаваемого тока по сравнению со схемой рис.3.

Очень выгодно наличие слаботочной цепи (сетевого трансформатора Т1). Разрывание тока выключателем S1 полностью обесточивает нагрузку. Таким образом, прервать пусковой ток можно маленьким концевым выключателем, автоматическим выключателем или слаботочным реле (добавив узел автоматического отключения).

Это очень существенный момент, поскольку разрывать сильноточные цепи, требующие для прохождения тока хорошего контакта, намного труднее. Мы не случайно вспомнили о фазировке трансформатора Т1. Если бы регулятор тока был “встроен” в зарядно-пусковое устройство или в схему сварочного аппарата, то проблема фазировки была бы решена в момент наладки основного устройства.

Наше устройство специально выполнено широкопрофильным (как пользование пусковым устройством определяется сезоном года, так и сварочные работы приходится вести нерегулярно). Приходится управлять режимом работы мощной электродрели и питать нихромовые обогреватели.

На рис.5 показана схема блока управления тиристорами. Выпрямительный мостик VD1 подает в схему пульсирующее напряжение от 0 до 20 В. Это напряжение через диод VD2 подводится к конденсатору С1, обеспечивается постоянное напряжение питания мощного транзисторного “ключа” на VT2, VT3.

Пульсирующее напряжение через резистор R1 подводится к параллельно соединенным резистору R2 и стабилитрону VD6. Резистор “привязывает” потенциал точки “А” (рис.6) к нулевому, а стабилитрон ограничивает вершины импульсов на уровне порога стабилизации. Ограниченные импульсы напряжения заряжают конденсатор С2 для питания микросхемы DD1.

Эти же импульсы напряжения воздействуют на вход логического элемента. При некотором пороге напряжения логический элемент переключается. С учетом инвертирования сигнала на выходе логического элемента (точка “В”) импульсы напряжения будут кратковременными -около момента нулевого входного напряжения.

Рис. 6. Диаграмма импульсов.

Следующий элемент логики инвертирует напряжение “В”, поэтому импульсы напряжения “С” имеют значительно большую длительность. Пока действует импульс напряжения “С”, через резисторы R3 и R4 происходит заряд конденсатора C3.

Экспоненциально нарастающее напряжение в точке “Е”, в момент перехода через логический порог, “переключает” логический элемент. После инвертирования вторым логическим элементом высокому входному напряжению точки “Е” соответствует высокое логическое напряжение в точке “F”.

Двум различным величинам сопротивления R4 соответствуют две осциллограммы в точке “Е”:

• меньшее сопротивление R4 – большая крутизна – Е1;
• большее сопротивление R4 – меньшая крутизна – Е2.

Следует обратить внимание также на питание базы транзистора VT1 сигналом “В”, во время снижения входного напряжения до нуля транзистор VT1 открывается до насыщения, коллекторный переход транзистора разряжает конденсатор С3 (происходит подготовка к зарядке в следующем полупериоде напряжения). Таким образом, логический высокий уровень появляется в точке “F” раньше или позже, в зависимости от сопротивления R4:

• меньшее сопротивление R4 – раньше появляется импульс – F1;
• большее сопротивление R4 – позже появляется импульс – F2.

Усилитель на транзисторах VT2 и VT3 “повторяет” логические сигналы -точка “G”. Осциллограммы в этой точке повторяют F1 и F2, но величина напряжения достигает 20 В.

Через разделительные диоды VD4, VD5 и ограничительные резисторы R9 R10 импульсы тока воздействуют на управляющие электроды тиристоров VS3 VS4 (рис.4). Один из тиристоров открывается, и на выход блока проходит импульс выпрямленного напряжения.

Меньшему значению сопротивления R4 соответствует большая часть полупериода синусоиды – h2, большему – меньшая часть полупериода синусоиды – h3 (рис.4). В конце полупериода ток прекращается, и все тиристоры закрываются.

Рис. 7. Схема автоматического двухпредельного вольтметра.

Таким образом, различным величинам сопротивления R4 соответствует различная длительность “отрезков” синусоидального напряжения на нагрузке. Выходную мощность можно регулировать практически от 0 до 100%. Стабильность работы устройства определяется применением “логики” – пороги переключения элементов стабильны.

Конструкция и налаживание

Если ошибок в монтаже нет, то устройство работает стабильно. При замене конденсатора С3 потребуется подбор резисторов R3 и R4. Замена тиристоров в силовом блоке может потребовать подбора R9, R10 (бывает, даже силовые тиристоры одного типа резко отличаются по токам включения – приходится менее чувствительный отбраковывать).

Измерять напряжение на нагрузке можно каждый раз “подходящим” вольтметром. Исходя из мобильности и универсальности блока регулирования, мы применили автоматический двухпредельный вольтметр (рис.7).

Измерение напряжения до 30 В производится головкой PV1 типа М269 с добавочным сопротивлением R2 (регулируется отклонение на всю шкалу при 30 В входного напряжения). Конденсатор С1 необходим для сглаживания напряжения, подводимого к вольтметру.

Для “загрубления” шкалы в 10 раз служит остальная часть схемы. Через лампу накаливания (бареттер) HL3 и подстроечный резистор R3 запитывается лампа накаливания оптопары U1, стабилитрон VD1 защищает вход оптрона.

Большое входное напряжение приводит к снижению сопротивления резистора оптопары от мегаом до ки-лоом, транзистор VT1 открывается, реле К1 срабатывает. Контакты реле при этом выполняют две функции:

• размыкают подстроечное сопротивление R1 – схема вольтметра переключается на высоковольтный предел;
• вместо зеленого светодиода HL2 включается красный светодиод HL1.

Красный, более заметный, цвет специально выбран для шкалы больших напряжений.

Внимание! Подстройка R1(шкала 0. 300) производится после подстройки R2.

Питание к схеме вольтметра взято из блока управления тиристорами. Развязка от измеряемого напряжения осуществлена с помощью оптрона. Порог переключения оптрона можно установить немного выше 30 В, что облегчит подстройку шкал.

Диод VD2 необходим для защиты транзистора от всплесков напряжения в момент обесточивания реле. Автоматическое переключение шкал вольтметра оправдано при использовании блока для питания различных нагрузок. Нумерация выводов оптрона не дана: с помощью тестера нетрудно различить входные и выходные выводы.

Сопротивление лампы оптрона равно сотням ом, а фоторезистора – мегаом (в момент измерения лампа не запитана). На рис.8 показан вид устройства сверху (крышка снята). VS1 и VS2 установлены на общем радиаторе, VS3 и VS4 – на отдельных радиаторах.

Резьбу на радиаторах пришлось нарезать под тиристоры. Гибкие выводы силовых тиристоров обрезаны, монтаж осуществлен более тонким проводом.

Рис. 8. Вид устройства сверху.

На рис.9 показан вид на лицевую панель устройства. Слева расположена ручка регулирования тока нагрузки, справа – шкала вольтметра. Около шкалы закреплены светодиоды, верхний (красный) расположен около надписи “300 В”.

Клеммы устройства не очень мощные, так как применяется оно для сварки тонких деталей, где очень важна точность поддержания режима. Время пуска двигателя небольшое, поэтому ресурса клеммных соединений хватает.

Рис. 9. Вид на лицевую панель устройства.

Верхняя крышка крепится к нижней с зазором в пару сантиметров для обеспечения лучшей циркуляции воздуха.

Устройство легко поддается модернизации. Так, для автоматизации режима запуска двигателя автомобиля не нужны дополнительные детали (рис.10).

Необходимо между точками “D” и “E” блока управления включить нормально замкнутую контактную группу реле К1 из схемы двухпредельного вольтметра. Если перестройкой R3 не удастся довести порог переключения вольтметра до 12. 13 В, то придется заменить лампу HL3 более мощной (вместо 10 установить 15 Вт).

Пусковые устройства промышленного изготовления настраиваются на порог включения даже 9 В. Мы рекомендуем настраивать порог переключения устройства на более высокое напряжение, так как еще до включения стартера аккумулятор немного подпитывается током (до уровня переключения). Теперь пуск производится немного “подзаряженным” аккумулятором вместе с автоматическим пусковым устройством.

Рис. 10 . Автоматизация режима запуска двигателя автомобиля.

По мере увеличения бортового напряжения автоматика “закрывает” подачу тока от пускового устройства, при повторных пусках в нужные моменты подпитка возобновляется. Имеющийся в устройстве регулятор тока (скважности выпрямленных импульсов) позволяет ограничить величину пускового тока.

Н.П. Горейко, В.С. Стовпец. г. Ладыжин. Винницкая обл. Электрик-2004-08.

Как проверить тиристор | Практическая электроника

Как проверить тиристор, если вы полный чайник? Итак, обо всем по порядку.

Принцип работы тиристора

Принцип работы тиристора основан на принципе работы электромагнитного реле. Реле – это электромеханическое изделие, а тиристор – чисто электрическое. Давайте же рассмотрим принцип работы тиристора, а иначе как мы его тогда сможем проверить? Думаю, все катались на лифте ;-). Нажимая кнопку на какой-нибудь этаж, электродвигатель лифта начинает свое движение, тянет трос с кабиной с вами  и  соседкой тетей Валей килограммов под двести и  вы перемещаетесь с этажа на этаж.  Как  же так с помощью малюсенькой кнопочки мы подняли кабину с тетей Валей на борту?

В этом примере и основан принцип работы тиристора.  Управляя маленьким напряжением кнопочки мы управляем большим напряжением… разве это не чудо? Да еще и в тиристоре нет никаких клацающих контактов, как в реле. Значит, там нечему выгорать и при нормальном режиме работы такой тиристор прослужит вам, можно сказать, бесконечно.

Тиристоры выглядят  как-то вот так:

А вот и  схемотехническое обозначение тиристора

В настоящее время мощные тиристоры используются для переключения (коммутации) больших напряжений в электроприводах, в установках плавки металла с помощью электрической дуги ( короче говоря с помощью короткого замыкания, в результате чего происходит такой мощный нагрев, что даже начинает плавиться металл)

Тиристоры, которые слева, устанавливают на алюминиевые радиаторы, а тиристоры-таблетки даже на радиаторы с водяным охлаждением, потому что через них проходит бешеная сила тока и коммутируют они очень большую мощность.

Маломощные тиристоры используются в радиопромышленности и, конечно же, в радиолюбительстве.

Параметры тиристоров

Давайте разберемся с некоторыми важными параметрами  тиристоров. Не зная эти параметры, мы не догоним принцип проверки тиристора. Итак:

1) U_y – отпирающее постоянное напряжение управления  – наименьшее постоянное напряжение на управляющем электроде, вызывающее переключение тиристора из закрытого состояния в открытое. Короче говоря простым языком, минимальное напряжение на управляющем электроде, которое открывает тиристора и электрический ток начинает спокойно себе течь через два оставшихся вывода – анод и катод тиристора. Это и есть минимальное напряжение открытия тиристора.

2) U_{обр max} –  обратное напряжение, которое может выдержать тиристор, когда, грубо говоря, плюс подают на катод, а минус – на анод.

3) I_{ос ср} – среднее значение тока, которое может протекать через тиристор  в прямом направлении без вреда для его здоровья.

Остальные параметры не столь критичны для начинающих радиолюбителей. Познакомиться с ними можете в любом справочнике.

Как проверить тиристор КУ202Н

Ну и наконец-то переходим к самому важному – проверке тиристора. Будем проверять самый ходовый и знаменитый советский тиристор – КУ202Н.

А вот и его цоколевка

Для проверки тиристора нам понадобится лампочка, три проводка и блок питания с постоянным током. На блоке питания выставляем напряжение загорания лампочки. Привязываем и припаиваем проводки к каждому выводу тиристора.

На анод подаем “плюс” от блока питания, на катод через лампочку “минус”.

Теперь же нам надо подать относительно анода напряжение на Управляющий Электрод (УЭ). Для такого вида тиристора U_y – отпирающее постоянное напряжение управления  больше чем 0,2 Вольта.  Берем полуторавольтовую батарейку и подаем напряжение на УЭ. Вуаля! Лампочка зажглась!

также можно использовать щупы мультиметра в режиме прозвонки, на щупах напряжение тоже больше 0,2 Вольта

Убираем батарейку или щупы, лампочка должна продолжать гореть.

Мы открыли тиристор с помощью подачи на УЭ импульса напряжения.  Все элементарно и просто! Чтобы тиристор опять закрылся, нам надо или разорвать цепь, ну то есть отключить лампочку или убрать щупы, или же подать на мгновение обратное напряжение.

Как проверить тиристор мультиметром

Можно также проверить тиристор с помощью мультиметра. Для этого собираем его по этой схемке:

Так как на щупах мультиметра в режиме прозвонки имеется напряжение, то подаем его на УЭ. Для этого замыкаем между собой анод и УЭ и сопротивление через Анод-Катод тиристора резко падает.  На мультике мы видим 112 милливольт падение напряжения. Это значит, что он открылся.

После отпускания мультиметр снова показывает бесконечно большое сопротивление.

Почему же тиристор закрылся? Ведь лампочка  в прошлом примере у нас горела? Все дело в том, что тиристор закрывается, когда ток удержания стает очень малым. В мультиметре ток через щупы очень малый, поэтому и тиристор закрылся без напряжения УЭ.

Есть также схема отличного прибора для проверки тиристора, ее можно глянуть в этой статье.

Также советую глянуть видео про проверку тиристора и ток удержания:

Общие сведения о технических характеристиках и параметрах тиристоров SCR »Примечания по электронике

Ознакомьтесь с основными характеристиками и параметрами тиристора или тиристора, указанными в технических описаниях, чтобы можно было выбрать или выбрать правильное устройство.

Triac, Diac, SCR Учебное пособие включает:
Основы тиристоров Конструкция тиристорного устройства Работа тиристора Затвор отключающий тиристор, ГТО Характеристики тиристора Что такое симистор Технические характеристики симистора Обзор Diac

При выборе тиристора или тиристора необходимо понимать несколько параметров из таблицы данных, чтобы можно было выбрать правильное устройство.

Различные спецификации и параметры тиристоров / тиристоров довольно сильно отличаются от более известных спецификаций транзисторов и полевых транзисторов, но даже в этом случае они относительно просты.

Стоит отметить, что многие спецификации тиристоров применимы также и для симисторов, и для дискретных входов.

Хотя существует множество других характеристик и параметров тиристоров, которые используются в их технических паспортах, это одни из наиболее широко применяемых, которые необходимы при проектировании схем и выборе правильных компонентов.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор FET Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Краткое примечание по рейтингам SCR

В этом руководстве по SCR мы узнаем о некоторых важных рейтингах SCR. Эти параметры включают напряжение, ток, мощность, температуру, время включения, время выключения и т. Д.

Введение

При всех условиях эксплуатации надежная работа SCR может быть обеспечена только в том случае, если он эксплуатируется таким образом, чтобы его номинальные характеристики не превышались. Каждый тиристор или тиристор изготавливается с учетом определенных пределов тока, напряжения, мощности, температуры и частоты коммутации, в пределах которых они могут работать надежно.

Это так называемые рейтинги, которые могут быть минимальными или максимальными значениями, которые устанавливают пределы возможностей SCR. Превышение этих пределов даже на короткое время может значительно привести к неисправности или повреждению SCR.

Таким образом, для удобства пользователей производитель дает список номинальных значений тока, напряжения, мощности, температуры и т. Д. Эти значения необходимы для правильного применения SCR в различных силовых электронных схемах. На практике для обеспечения запаса прочности выбираются SCR с номиналами выше требуемых рабочих характеристик.

Эти рейтинги могут быть постоянными, неповторяющимися или скачкообразными и повторяющимися. В зависимости от односторонних или двусторонних устройств, непрерывные рейтинги обозначаются в виде среднеквадратичных или средних значений. Номинальные значения скачков напряжения и повторяемости соответствуют пиковым значениям SCR.

Итак, давайте вкратце обсудим различные рейтинги SCR. Для облегчения идентификации разным номинальным значениям напряжения и тока присваиваются один или несколько индексов. Первый нижний индекс указывает состояние SCR и включает

• F- прямое смещение
• R- Обратное смещение
• T- состояние ON
• D- Состояние блокировки вперед при открытых воротах

Второй нижний индекс указывает рабочие значения, это

• Т-спусковой крючок
• S- Скачок или неповторяющееся значение
• R- Повторяющееся значение
• Вт- рабочее значение

Наверх

Номинальное напряжение SCR

Допустимое напряжение SCR не должно превышаться во время работы даже на короткие периоды.Таким образом, SCR назначается с разными номинальными напряжениями, которые представляют собой максимальные напряжения, при которых SCR может нормально функционировать без нарушения соединений. Они назначаются в обоих состояниях блокировки SCR и могут выдерживать скачки напряжения. Ниже приведены различные номинальные значения напряжения SCR.

Пиковое рабочее напряжение блокировки в прямом направлении, В

Он определяет максимальное мгновенное значение прямого напряжения блокировки на тиристоре, исключая все скачки и повторяющиеся переходные напряжения.Напряжение, превышающее это значение, тиристор не может выдержать во время своей работы. Этот VDWM равен максимальному или пиковому значению волны напряжения питания, показанной на рисунке.

Пиковое повторяющееся напряжение блокировки в прямом направлении, В

Это максимальное переходное напряжение, которое SCR может многократно или периодически блокировать в состоянии прямой блокировки. Это задается с помощью определенного сопротивления смещения между катодом и затвором или при максимально допустимой температуре перехода при разомкнутой цепи затвора.

Это напряжение V _DRM встречается или появляется на SCR, когда SCR выключен, коммутируется или из-за диодов в цепи преобразователя. Во время процесса выключения резкое изменение тока обратного восстановления вызывает всплеск напряжения, который является причиной появления V _DRM на SCR.

Пиковое неповторяющееся напряжение или импульсное напряжение блокировки в прямом направлении, В

Это максимальное мгновенное значение прямого скачка напряжения на тиристоре, которое не повторяется.Это значение V _DSM меньше, чем перенапряжение прямого разрыва V _BO , и это значение находится в диапазоне примерно 130 процентов от V _DRM .

Пиковое рабочее обратное напряжение, В

Это максимальное мгновенное значение обратного напряжения на тиристоре, исключая все скачки и повторяющиеся переходные напряжения. Этот V _RWM равен максимальному отрицательному значению волны напряжения питания, показанной на рисунке.

Пиковое повторяющееся обратное напряжение, В

Это многократное или периодически возникновение максимального обратного переходного напряжения на тиристоре в обратном направлении при допустимой максимальной температуре перехода.За пределами этого диапазона SCR может быть поврежден из-за чрезмерной температуры перехода. Это напряжение также появилось по той же причине, что и у V _DRM .

Пиковое неповторяющееся или обратное импульсное напряжение, В

Это относится к максимальному неповторяющемуся значению обратного переходного напряжения на тиристоре. Это значение V _RSM меньше, чем перенапряжение обратного разрыва V _BR , и это значение находится в диапазоне примерно 130 процентов от V _RRM .Номинальные значения импульсного напряжения V _DSM и V _RSM могут быть увеличены путем последовательного подключения диода равного тока с тиристором.

Вышеупомянутые номинальные значения напряжения относятся к состояниям прямой и обратной блокировки, в которых тиристор может выдерживать при открытом затворе.

Напряжение в открытом состоянии В

Это падение напряжения между анодом и катодом при заданной температуре перехода и прямом токе в открытом состоянии.Обычно это значение составляет от 1 до 1,5 В.

Напряжение срабатывания затвора, В

Это минимальное напряжение, необходимое затвору для создания тока запуска затвора.

Вперед dv / dt Рейтинг

Это максимальная скорость нарастания анодного напряжения, при которой тиристор не запускается без стробирующего импульса или сигнала. Если это значение больше указанного значения, тиристор может быть включен. SCR в режиме прямой блокировки аналогичен конденсатору с диэлектриком.

Значит, через него протекает зарядный ток при увеличении приложенного напряжения. Если скорость нарастания напряжения больше, через переходы J ₂ SCR будет протекать достаточный заряд, и, следовательно, SCR будет включен без какого-либо сигнала затвора.

Этот тип срабатывания называется ложным срабатыванием и на практике не используется. Также этот рейтинг зависит от температуры перехода. Если температура перехода высока, рейтинг du / dt SCR будет ниже, и наоборот.Используя демпферные сети в SCR, можно ограничить максимальное значение dv / dt, применяемое к SCR.

Коэффициент запаса прочности по напряжению В

Как правило, рабочее напряжение SCR поддерживается ниже V _RSM , чтобы избежать повреждения SCR из-за неопределенных условий. Следовательно, запас прочности по напряжению связывает рабочее напряжение и V _RSM и составляет

В _f = В _RSM / (Действующее значение входного напряжения * √2)

К началу

Текущие рейтинги SCR

В основном SCR – это одностороннее устройство, и, следовательно, ему присваивается средний номинальный ток (в то время как рейтинг RMS-тока назначается двусторонним устройствам).SCR имеет низкую теплоемкость и короткую постоянную времени. Это означает, что температура перехода превышает номинальное значение даже при кратковременном перегрузке по току.

Это может привести к повреждению SCR. Следовательно, для длительного срока службы SCR необходимо правильно выбирать номинальные значения тока, поскольку температура перехода зависит от тока, который он пропускает. Давайте посмотрим на различные текущие рейтинги SCR.

Средний номинальный ток в открытом состоянии I

Это максимальное повторяющееся среднее значение прямого тока, которое может протекать через тиристор, так что максимальная температура и пределы среднеквадратичного тока не превышаются.Прямое падение напряжения на тиристоре очень низкое, когда он находится в режиме проводимости. Таким образом, потери мощности в тиристоре полностью зависят от прямого тока I _TAV .

В случае тиристоров с фазовым управлением средний прямой ток зависит от угла зажигания. Для данного среднего прямого тока среднеквадратичное значение тока увеличивается с уменьшением угла проводимости. Это приводит к увеличению падения напряжения на тиристоре, что, в свою очередь, увеличивает среднюю рассеиваемую мощность.Следовательно, температура перехода превышает безопасный предел.

Чтобы ограничить максимальную температуру перехода, допустимый средний прямой ток должен быть снижен с уменьшением угла проводимости. Производители обычно предоставляют технические данные, в которых показано изменение среднего прямого тока в зависимости от температуры корпуса. В качестве примера ниже показана форма волны тока, сформированная из положительного полупериода для разных углов проводимости.

Действующее значение тока в открытом состоянии I

Это максимальный повторяющийся среднеквадратичный ток, указанный при максимальной температуре перехода, которая может протекать через тиристор.Для постоянного тока среднеквадратичный и средний токи одинаковы. Тем не менее, этот рейтинг важен для тиристоров, работающих с сигналами малой нагрузки с пиковыми токами. Кроме того, этот рейтинг необходим для предотвращения чрезмерного нагрева выводов, металлических соединений и поверхностей раздела SCR.

Номинальный импульсный ток I

Он определяет максимальный неповторяющийся или импульсный ток, который SCR может выдержать ограниченное количество раз в течение своего срока службы. Производители указывают номинальные значения перенапряжения, чтобы приспособиться к ненормальным условиям SCR из-за коротких замыканий и неисправностей.Если пиковая амплитуда и количество циклов импульсного тока превышены, SCR может выйти из строя.

I

Этот рейтинг используется для определения поглощения тепловой энергии устройством. Этот рейтинг требуется при выборе предохранителя или другого защитного оборудования, используемого для SCR. Это мера тепловой энергии, которую SCR может поглотить в течение короткого периода времени, прежде чем устранить неисправность с помощью предохранителя.

Это интеграл по времени от квадрата максимального мгновенного тока.Для надежной защиты SCR с помощью предохранителя или другого защитного оборудования номинал предохранителя I ² _t (или любого другого защитного оборудования) должен быть меньше, чем номинал SCR I ² _t .

di / dt Рейтинг

Это максимально допустимая скорость нарастания анодно-катодного тока без какого-либо повреждения или повреждения SCR. Если скорость нарастания анодного тока очень велика по сравнению со скоростью распространения носителей заряда, создаются локальные горячие точки из-за концентрации носителей (из-за высокой плотности тока) в ограниченной области переходов.

При этом температура перехода поднимается выше безопасного предела, и, следовательно, SCR может быть поврежден. Следовательно, для всех SCR указывается максимально допустимое значение di / dt для защиты SCR. Он указывается в амперах / микросекундах и обычно находится в диапазоне от 50 до 800 ампер / микросекунд.

Ток фиксации I

Это минимальный ток в состоянии ВКЛ, необходимый для поддержания тринистора в состоянии ВКЛ после удаления привода затвора. После включения SCR анодному току необходимо дать возможность нарастать так, чтобы ток фиксации был достигнут до того, как импульс затвора будет удален.В противном случае SCR будет выключен, если сигнал стробирования будет удален.

Ток удержания I

Это минимальное значение анодного тока, ниже которого тиристор перестает проводить и выключается. Удерживающий ток связан с процессом выключения, и обычно это очень небольшое значение в диапазоне миллиампер.

Ток затвора I

Чем больше ток затвора, тем раньше будет включение тиристора, и наоборот. Однако пределы безопасности должны быть предусмотрены для ворот путем указания максимального и минимального тока затвора.Для управления SCR ток затвора подается на вывод затвора. Этот ток затвора делится на два типа; минимальный ток затвора I _Gmin и максимальный ток затвора I _Gmax .

Минимальный ток затвора I _Gmin – это ток, необходимый клемме затвора для включения тринистора, где, как I _Gmax , – это максимальный ток, который можно безопасно приложить к затвору. Между этими двумя пределами регулируется угол проводимости SCR.

К началу

Температурный рейтинг SCR

Возможность прямого и обратного блокирования SCR определяется температурой перехода T _j .Если максимальная температура перехода будет превышена, SCR будет переведен в состояние проводимости даже без какого-либо сигнала затвора. Этот верхний предел T _j устанавливается с учетом температурной зависимости от перенапряжения отключения, термостабильности и времени выключения.

А также верхний предел температуры хранения T _s также требуется для ограничения термических напряжений на кристалле кремния, свинцовых соединениях и герметизации эпоксидной смолы. Превышение этих двух температурных пределов может вызвать ненадежную работу SCR.В некоторых случаях верхний предел температуры хранения выше, чем предел рабочей температуры SCR.

К началу

Номинальная мощность SCR

Рассеивание мощности в SCR вызывает повышение температуры в областях перехода. Рассеивание мощности в SCR включает в себя рассеяние мощности в прямом направлении; потери при включении и выключении и рассеяние мощности затвора.

Средняя рассеиваемая мощность P

Это умножение среднего анодного тока на прямое падение напряжения на тиристоре.Это основной источник нагрева перехода в SCR при нормальной работе. Пиковая мощность от данного источника не должна превышать средний показатель рассеиваемой мощности, чтобы обеспечить безопасность устройства. Этот рейтинг указан для различных углов проводимости как функция среднего прямого тока, как показано на рисунке.

Рассеиваемая мощность затвора P

Этот рейтинг определяет как прямую, так и обратную пиковую мощность и среднюю мощность, подаваемую на затвор.Если эти значения превышены, ворота будут повреждены. Следовательно, при вычислении приложенных напряжений и токов необходимо учитывать ширину импульсов затвора (поскольку пиковая мощность является функцией времени). Для запуска импульсного типа потери на затворе незначительны, тогда как для стробирующих сигналов с высокой скважностью потери на затворе становятся более значительными.

Другие потери мощности включают потери в состоянии включения, потери в состоянии выключения, потери при прямой блокировке и потери при обратной блокировке. При выборе рейтинга SCR необходимо учитывать потери при включении и выключении, поскольку они составляют значительную часть общих потерь.А также прямые и обратные блокирующие потери очень малы по сравнению с потерями проводимости из-за небольшого тока утечки и незначительного падения напряжения в состояниях блокировки.

К началу

Время включения и выключения

Время включения – это интервал времени между моментом подачи стробирующего сигнала и моментом, когда ток в открытом состоянии достигает 90 процентов от своего конечного значения. Если увеличить привод ворот, время включения будет короче.Это время включения действительно только для резистивной нагрузки, поскольку скорость нарастания анодного тока в индуктивной нагрузке низкая.

Следовательно, время включения не указывает время, в течение которого устройство остается включенным, если сигнал стробирования удален. И если нагрузка резистивная, время включения обязательно указывает интервал времени, в течение которого SCR остается включенным, даже если вентиль удален.

Время выключения – это интервал времени между моментом, когда анодный ток становится нулевым или отрицательным, и мгновенным положительным напряжением, снова прикладываемым к SCR.Для быстрого переключения SCR значения времени включения и выключения очень низкие.

К началу

– Тиристорный регулятор напряжения с различным углом зажигания для каждого периода с simulink

Во-первых, у меня очень низкий уровень EE, поэтому, пожалуйста, не беспокойтесь. В качестве домашнего набора мы должны спроектировать Тиристорный регулятор напряжения в simulink . Он должен работать в течение 5 периодов с разным углом срабатывания тиристора для каждого периода (30 *, 60 *, 90 *, 120 *, 150 *).Мне удалось построить его для одного угла стрельбы с помощью некоторых руководств по Matlab (первое, второе) и школьной книги. Проблема в том, что я понятия не имею, как заставить его стрелять под разными углами стрельбы в каждый период (я имею в виду , динамически изменять угол зажигания для каждого периода во время одной симуляции, например, 30 * для первого периода, 60 * для следующего и т. Д. ). Есть какие-нибудь советы, как это сделать?

Схема и параметры:

Вот параметры:

• Источник напряжения переменного тока:

  • Пиковая амплитуда (В): 230
  • Фаза (град.): 0
  • Частота (Гц): 60
  • Время выборки: 0
  • Измерения: Нет

• Генератор импульсов

  • Тип импульса: по времени
  • Время (t): использовать время моделирования
  • Амплитуда: 1
  • Период (сек): 1/60
  • Ширина импульса (% периода): 1
  • Задержка фазы (сек): (1/60) + (1/60) * 1

• Генератор импульсов1

  • Тип импульса: по времени
  • Время (t): использовать время моделирования
  • Амплитуда: 1
  • Период (сек): 1/60
  • Ширина импульса (% периода): 1
  • Задержка фазы (сек): (1/60) + (1/120) + (1/160) * 1

• Тиристор 1, Тиристор 2

  • Сопротивление Рон (Ом): 0.001
  • Индуктивность Lon (H): 0
  • Прямое напряжение Vf (В): 0,8
  • Демпфирующее сопротивление Rs (Ом): 500
  Емкость демпфера
  • Cs (F): 250e-9
• Серия

  RLC Branch

  • Тип ответвления: RL
  • Сопротивление (Ом): 100
  • Индуктивность (H): 0,2

* 1 Согласно первому руководству по Matlab, 1/160 должен давать угол стрельбы 135 градусов. (1/120) – задержка на 180 градусов. Понятия не имею, что такое 1/60.Однако в моем случае эта математика работает.

@edit 21.05.2015 Мой учитель размышлял о векторном вводе (хотя подробностей нет). Как добавить векторный ввод в тиристоры (чтобы угол зажигания изменялся во время моделирования)?

% PDF-1.3 % 1 0 obj > поток конечный поток endobj 2 0 obj > endobj 15 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text] / ColorSpace> / Font >>> endobj 9 0 объект > поток HWrG + 0Z] {Qc͢2s

% PDF-1.4 % 11920 0 объект> endobj xref 11920 273 0000000016 00000 н. 0000009520 00000 н. 0000009727 00000 н. 0000009827 00000 н. 0000009874 00000 н. 0000009931 00000 н. 0000009988 00000 н. 0000010045 00000 п. 0000010102 00000 п. 0000010159 00000 п. 0000010216 00000 п. 0000010273 00000 п. 0000010335 00000 п. 0000010547 00000 п. 0000010724 00000 п. 0000011088 00000 п. 0000011192 00000 п. 0000011295 00000 п. 0000011515 00000 п. 0000021823 00000 п. 0000031859 ​​00000 п. 0000041189 00000 п. 0000050958 00000 п. 0000060556 00000 п. 0000069296 00000 п. 0000069841 00000 п. 0000070573 00000 п. 0000070828 00000 п. 0000071077 00000 п. 0000080985 00000 п. 00000 00000 п. 0000115454 00000 п. 0000146412 00000 н. 0000147759 00000 н. 0000148246 00000 н. 0000148371 00000 н. 0000148851 00000 н. 0000148987 00000 н. 0000149051 00000 н. 0000149191 00000 п. 0000149326 00000 н. 0000149413 00000 п. 0000149493 00000 п. 0000149645 00000 н. 0000149759 00000 н. 0000149878 00000 п. 0000150038 00000 н. 0000150130 00000 н. 0000150236 00000 н. 0000150391 00000 н. 0000150491 00000 п. 0000150601 00000 н. 0000150755 00000 н. 0000150858 00000 н. 0000150960 00000 н. 0000151137 00000 н. 0000151253 00000 н. 0000151424 00000 н. 0000151555 00000 н. 0000151699 00000 н. 0000151875 00000 н. 0000152006 00000 н. 0000152139 00000 н. 0000152293 00000 н. 0000152384 00000 н. 0000152555 00000 н. 0000152707 00000 н. 0000152863 00000 н. 0000152994 00000 н. 0000153150 00000 н. 0000153242 00000 н. 0000153379 00000 п. 0000153532 00000 н. 0000153625 00000 н. 0000153726 00000 н. 0000153837 00000 н. 0000153930 00000 н. 0000154026 00000 н. 0000154139 00000 н. 0000154261 00000 н. 0000154373 00000 н. 0000154488 00000 н. 0000154611 00000 н. 0000154719 00000 н. 0000154834 00000 н. 0000154942 00000 н. 0000155060 00000 н. 0000155181 00000 н. 0000155289 00000 н. 0000155406 00000 н. 0000155530 00000 н. 0000155661 00000 н. 0000155774 00000 н. 0000155865 00000 н. 0000155973 00000 п. 0000156124 00000 н. 0000156284 00000 н. 0000156421 00000 н. 0000156561 00000 н. 0000156735 00000 н. 0000156856 00000 н. 0000156957 00000 н. 0000157069 00000 н. 0000157226 00000 н. 0000157383 00000 н. 0000157540 00000 н. 0000157681 00000 н. 0000157828 00000 н. 0000157951 00000 н. 0000158065 00000 н. 0000158172 00000 н. 0000158283 00000 н. 0000158385 00000 н. 0000158501 00000 н. 0000158629 00000 н. 0000158723 00000 н. 0000158826 00000 н. 0000158950 00000 н. 0000159065 00000 н. 0000159223 00000 н. 0000159331 00000 н. 0000159428 00000 н. 0000159542 00000 н. 0000159652 00000 н. 0000159758 00000 н. 0000159855 00000 н. 0000159969 00000 н. 0000160117 00000 н. 0000160221 00000 н. 0000160323 00000 н. 0000160430 00000 н. 0000160525 00000 н. 0000160662 00000 н. 0000160766 00000 н. 0000160868 00000 н. 0000160985 00000 н. 0000161107 00000 н. 0000161267 00000 н. 0000161365 00000 н. 0000161468 00000 н. 0000161583 00000 н. 0000161703 00000 н. 0000161814 00000 н. 0000161930 00000 н. 0000162040 00000 н. 0000162149 00000 н. 0000162258 00000 н. 0000162369 00000 н. 0000162483 00000 н. 0000162600 00000 н. 0000162721 00000 н. 0000162862 00000 н. 0000162962 00000 н. 0000163068 00000 н. 0000163166 00000 н. 0000163290 00000 н. 0000163398 00000 н. 0000163503 00000 н. 0000163607 00000 н. 0000163713 00000 н. 0000163818 00000 н. 0000163928 00000 н. 0000164037 00000 н. 0000164162 00000 н. 0000164271 00000 н. 0000164403 00000 н. 0000164533 00000 н. 0000164665 00000 н. 0000164792 00000 н. 0000164925 00000 н. 0000165056 00000 н. 0000165189 00000 н. 0000165317 00000 н. 0000165449 00000 н. 0000165579 00000 п. 0000165711 00000 н. 0000165838 00000 н. 0000165974 00000 н. 0000166096 00000 н. 0000166213 00000 н. 0000166327 00000 н. 0000166444 00000 н. 0000166569 00000 н. 0000166698 00000 н. 0000166823 00000 н. 0000166937 00000 н. 0000167069 00000 н. 0000167212 00000 н. 0000167345 00000 н. 0000167492 00000 н. 0000167638 00000 н. 0000167787 00000 н. 0000167939 00000 н. 0000168074 00000 н. 0000168208 00000 н. 0000168344 00000 н. 0000168479 00000 н. 0000168602 00000 н. 0000168719 00000 н. 0000168845 00000 н. 0000168965 00000 н. 0000169092 00000 н. 0000169213 00000 н. 0000169330 00000 н. 0000169464 00000 н. 0000169579 00000 н. 0000169724 00000 н. 0000169850 00000 н. 0000169993 00000 н. 0000170117 00000 н. 0000170263 00000 н. 0000170396 00000 н. 0000170523 00000 п. 0000170663 00000 н. 0000170789 00000 н. 0000170916 00000 п. 0000171037 00000 н. 0000171180 00000 н. 0000171309 00000 н. 0000171439 00000 н. 0000171563 00000 н. 0000171702 00000 н. 0000171844 00000 н. 0000171988 00000 н. 0000172114 00000 н. 0000172239 00000 н. 0000172355 00000 н. 0000172472 00000 н. 0000172588 00000 н. 0000172705 00000 н. 0000172816 00000 н. 0000172929 00000 н. 0000173043 00000 н. 0000173160 00000 н. 0000173271 00000 н. 0000173386 00000 н. 0000173495 00000 н. 0000173605 00000 н. 0000173724 00000 н. 0000173833 00000 н. 0000173943 00000 н. 0000174059 00000 н. 0000174174 00000 н. 0000174301 00000 н. 0000174424 00000 н. 0000174519 00000 н. 0000174614 00000 н. 0000174709 00000 н. 0000174804 00000 н. 0000174899 00000 н. 0000174994 00000 н. 0000175089 00000 н. 0000175184 00000 н. 0000175279 00000 н. 0000175374 00000 н. 0000175469 00000 н. 0000175564 00000 н. 0000175659 00000 н. 0000175754 00000 н. 0000175849 00000 н. 0000175944 00000 н. 0000176039 00000 н. 0000176134 00000 н. 0000176229 00000 н. 0000176324 00000 н. 0000176464 00000 н. 0000176633 00000 н. 0000176775 00000 н. 0000176886 00000 н. 0000177000 00000 н. 0000177117 00000 н. 0000177211 00000 н. 0000005756 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 12192 0 obj> поток xY {XSW 瑓 $ 0 @ 4 | AVtG / 9SQiǎ8QoQÕE Հ vL) El6> ptT (UL! 㝹 3 | ᜬ k [}! ! / BHxAF (x @ (5 ” bI “V * N.V 䌂 ShZBR9M: ~ 5ZhF bd $ E #) Z) a4Lrp.6 @ ܯ8 H) d`ud’NsT, je 5w N_Fshgy *% kY [OzQq & jHt [\ tIQ = @ `5 [= qVDQl ~ HU1V ٟ [. A == sI> $ H? Dѥ.H%” j {͈ ݒ n1

Патент США на ЖК-компенсатор с тиристорным управлением для компенсации динамического Патент на реактивную мощность (Патент № 9,960,599 от 1 мая 2018 г.)

Настоящее изобретение в целом относится к компенсации динамической реактивной мощности в энергосистеме с помощью компенсатора LC (TCLC) с тиристорным управлением. В частности, настоящее изобретение относится к способу проектирования, способу управления и системе для динамической компенсации реактивной мощности с преимуществом уменьшения инжекции гармонических токов от твердотельных переключателей во время включения или выключения.

Часть настоящего изобретения была раскрыта в статье, опубликованной в IEEE Transactions on Smart Grid (том: 8, выпуск: 1, стр. 409-417, январь 2017 г. ) 7 июня 2016 г. Настоящий документ представляет собой раскрытие информации, инициированной изобретателем в течение льготного периода, в течение одного года до даты вступления в силу этой заявки.

Использование системы возобновляемых источников энергии, подключенных к интеллектуальной сети, рассматривается как наша электросеть следующего поколения для решения энергетического кризиса.Система интеллектуальной сети передает электроэнергию от возобновляемого источника энергии, например энергии ветра, и вырабатывает регулируемую мощность для промышленного и бытового использования. Однако разработка интеллектуальной сети ставит множество новых проблем в отношении качества электроэнергии [1]. В частности, серьезной проблемой была реактивная мощность. Большая реактивная мощность потребляет больше реактивного тока, что приводит либо к увеличению эксплуатационных расходов, либо к снижению пропускной способности. Это требует принятия различных мер, включая использование динамических компенсаторов реактивной мощности для решения проблемы качества электроэнергии.

Обычно тиристорный статический компенсатор реактивной мощности (SVC), содержащий фиксированный шунтирующий конденсатор параллельно с тиристорным реактором (FC-TCR), используется для управления углами зажигания тиристоров и компенсации реактивной мощности [ 2]. Однако во время работы FC-TCR генерируются гармонические токи низкого порядка, которые могут ухудшить работу системы. Эта проблема особенно обсуждалась Haque et al. без решения [3].

Для решения проблемы инжекции гармонического тока был разработан статический синхронный компенсатор (STATCOM) для достижения лучшей стабильности мощности.STATCOM – это преобразователь источника напряжения, использующий биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) или интегрированный тиристор с коммутацией затвора (IGCT). Эта система имеет более быстрый отклик и меньшее количество гармонических токов, чем SVC [4]. Однако система STATCOM дороже, чем SVC, при той же номинальной мощности в ВА. Следовательно, эта топология не смогла заменить старую технологию SVC.

Бентон [5] и Занотто и др. [6] предложили использовать параллельную комбинацию SVC и пассивного фильтра мощности (SVC + PPF) для уменьшения инжекции гармонического тока.Однако время колебания и стоимость этого подхода значительно выше. Впоследствии Луо и др. В [7] предложена комбинированная система SVC и STATCOM, которая может исключить инжекцию гармонического тока SVC и компенсировать как реактивную мощность, так и гармонический ток нелинейной нагрузки. Однако, учитывая сложность системы, первоначальная стоимость такого подхода может быть очень высокой. Чтобы снизить начальную стоимость, Kulkami et al. [8] предложил подход искусственной нейронной сети (ИНС) для определения оптимальных углов запуска для реакторов с тиристорным управлением и конденсаторов с тиристорной коммутацией (TCR-TSC) с пониженной инжекцией гармонического тока.Однако, поскольку углы включения, вероятно, не соответствуют требуемой компенсирующей реактивной мощности, TCR-TSC может принести в жертву свою способность компенсации реактивной мощности.

В результате существует потребность в методике компенсации динамической реактивной мощности в энергосистеме с помощью компенсатора LC (TCLC) с тиристорным управлением, который также снижает проблему инжекции гармонического тока тиристором (во время включения или выключения). по невысокой цене.

Соответственно, обеспечивается компенсатор LC (TCLC) с тиристорным управлением для компенсации динамической реактивной мощности в энергосистеме.Компенсатор TCLC содержит три ветви подсхемы, каждая ветвь подсхемы имеет первый вывод ответвления и второй вывод ответвления и электронный контроллер для управления твердотельным двунаправленным переключателем каждой ветви подсхемы и определения когда включать твердотельный двунаправленный переключатель. Каждая ветвь подсхемы дополнительно содержит управляемый реактор (CR), содержащий параллельный индуктор (L _PF ), соединенный последовательно с твердотельным двунаправленным переключателем; индуктор связи (L _c ), имеющий первый вывод и второй вывод, при этом первый вывод подключен к линии в системе электросети, а второй вывод подключен к CR; и параллельный конденсатор (C _PF ), подключенный параллельно CR.Дроссель связи (L _c ) определяется в соответствии с порядком гармоник (n) гармонического тока, генерируемого в линии в энергосистеме твердотельным двунаправленным переключателем в компенсаторе TCLC, так что гармонический ток ослабляется. , где n выбирается таким образом, чтобы выбранное n было меньше 5, так что гармонический ток, генерируемый при выбранном порядке резонанса n, меньше 50% гармонического тока, генерируемого при n = 5; и выбранный n больше 1.5 (n> 1,5), так что индуктивность индуктивности связи (L _c ) при выбранном n составляет менее 50% индуктивности индуктора связи (L _c ) при n = 1,5 (X _{L c} (n) ≤0,5 · X _{L c} (n = 1,5)).

Компенсатор TCLC предпочтительно подключается по схеме звезды или треугольника. При этом звездообразная конфигурация имеет первый вывод ответвления каждого ответвления подсхемы, подключенный к каждой линии системы электросети, и все вторые выводы ответвления всех подсхем, соединенные между собой.В качестве альтернативы, дельта-конфигурация имеет первый вывод ответвления каждой ветви подсхемы, подключенный как к линии системы электросети, так и второй вывод ответвления другой ветви подсхемы, а второй вывод ответвления подключен к как другая линия энергосистемы, так и первая клемма третьей оставшейся ветви подсхемы.

Компенсатор TCLC предпочтительно подключается шунтирующим образом к каждой линии системы электросети на выводе системного индуктора (L _s ) с сетевым напряжением (V _x ) на каждой линии электропередачи.

Твердотельный двунаправленный переключатель предпочтительно содержит два встречно соединенных тиристора (T _x1 и T _x2 ).

Предпочтительно, чтобы параллельный конденсатор (C _PF ) имел полное сопротивление основной гармоники больше, чем полное сопротивление параллельной индуктивности (L _PF ).

Предпочтительно, чтобы параллельный конденсатор (C _PF ) компенсатора TCLC имел значение емкости, выбранное для максимизации диапазона компенсации реактивной мощности уравнениями (4a), (5a) и (6a) для конфигурации звезды, и уравнения (4b), (5b) и (6b) для дельта-конфигурации.

Предпочтительно, параллельный индуктор (L _PF ) имеет значение индуктивности, выбранное для максимизации диапазона компенсации реактивной мощности следующими уравнениями (4a), (5a) и (7a) для звездообразной конфигурации, а также уравнениями ( 4b), (5b) и (7b) для дельта-конфигурации.

Предпочтительно индуктивность связи (L _c ) имеет значение индуктивности, выбранное в соответствии с уравнениями (21) для минимизации инжекции гармонических токов.

Предпочтительно угол включения (α) твердотельного двунаправленного переключателя выбирается в соответствии со следующими уравнениями (1), (22a), (23) и (24) в звездообразной конфигурации и в соответствии со следующими уравнениями ( 1), (22b), (23) и (24) в треугольной конфигурации.

Электронный контроллер предпочтительно дополнительно содержит контур фазовой автоподстройки частоты (PLL), множество фильтров нижних частот (L _PF ), справочную таблицу (LUT) и компаратор.

Угол открытия (α) предпочтительно вычисляется и получается из справочной таблицы (LUT) в электронном контроллере. Угол включения (α) генерирует сигнал запуска путем сравнения угла включения (α) с фазовым углом каждого мгновенного напряжения сети (v _x ).

РИС.1 – схематическая диаграмма, иллюстрирующая пример трехфазной трехпроводной системы электросети, соединенной звездой с компенсатором TCLC.

РИС. 2 – схематическая диаграмма, иллюстрирующая пример трехфазной трехпроводной системы электросети, соединенной по схеме треугольника с компенсатором TCLC.

РИС. 3 – схематическая диаграмма, иллюстрирующая пример однофазного компенсатора TCLC.

РИС. 4 – схематическая диаграмма, иллюстрирующая примерный эквивалентный однофазный компенсатор TCLC с соответствующей линией питания.

РИС. 5 изображает примерную блок-схему электронного контроллера для компенсатора TCLC.

РИС. На фиг.6 показаны суммарные гармонические токи, подаваемые компенсатором TCLC, и соответствующее значение L _C с изменяющимся n≈n ₁ ≈n ₂ .

РИС. 7А показаны основные и гармонические компенсирующие токи при разных углах зажигания для FC-TCR.

РИС. На фиг.7В показаны компенсирующие токи основной гармоники и гармоник при разных углах зажигания для настоящего изобретения.

РИС. 8A показаны результаты моделирования напряжения сети и тока системы сети для FC-TCR для индуктивной компенсации реактивной мощности.

РИС. 8B показаны результаты моделирования напряжения сети и тока системы сети для FC-TCR + PPF для индуктивной компенсации реактивной мощности.

РИС. 8C показаны результаты моделирования напряжения сети и тока системы сети для настоящего изобретения для индуктивной компенсации реактивной мощности.

РИС. 9A показаны результаты моделирования напряжения сети и тока системы сети для FC-TCR для емкостной компенсации реактивной мощности.

РИС. 9В показаны результаты моделирования напряжения сети и тока системы сети для FC-TCR + PPF для емкостной компенсации реактивной мощности.

РИС. 9C показаны результаты моделирования напряжения сети и тока системы сети для настоящего изобретения для емкостной компенсации реактивной мощности.

РИС. 10 показаны результаты моделирования для динамической компенсации реактивной мощности согласно настоящему изобретению.

РИС. 11A показаны спектры тока сетевой системы, полученные при моделировании индуктивной компенсации реактивной мощности для FC-TCR.

РИС. 11В показаны спектры тока сетевой системы, полученные путем моделирования для индуктивной компенсации реактивной мощности для FC-TCR + PPF.

РИС. 11C показаны спектры тока сетевой системы, полученные путем моделирования для индуктивной компенсации реактивной мощности для настоящего изобретения.

РИС. 12A показаны спектры тока сетевой системы, полученные путем моделирования для компенсации емкостной реактивной мощности для FC-TCR.

РИС. 12В показаны спектры тока сетевой системы, полученные путем моделирования для компенсации емкостной реактивной мощности для FC-TCR + PPF.

РИС. 12C показаны спектры тока сетевой системы, полученные путем моделирования для компенсации емкостной реактивной мощности для настоящего изобретения.

РИС. 13A показаны экспериментальные результаты для напряжения сети и тока системы сети для FC-TCR для индуктивной компенсации реактивной мощности.

РИС. 13B показаны экспериментальные результаты для напряжения сети и тока системы сети для настоящего изобретения для индуктивной компенсации реактивной мощности.

РИС. 14A показаны экспериментальные результаты для напряжения сети и тока системы сети для FC-TCR для емкостной компенсации реактивной мощности.

РИС. 14B показаны экспериментальные результаты для напряжения сети и тока системы сети для настоящего изобретения для емкостной компенсации реактивной мощности.

РИС. 15 показаны экспериментальные результаты для динамической компенсации реактивной мощности согласно настоящему изобретению.

РИС. 16A показаны экспериментальные спектры токов сетевой системы для индуктивной компенсации реактивной мощности для FC-TCR.

РИС. 16В показаны экспериментальные спектры токов сетевой системы для индуктивной компенсации реактивной мощности для настоящего изобретения.

РИС. 17А показаны экспериментальные спектры тока сетевой системы для компенсации емкостной реактивной мощности для FC-TCR.

РИС. 17B показывает экспериментальные спектры токов сетевой системы для компенсации емкостной реактивной мощности для настоящего изобретения.

РИС. 18A показывает отношения между Q _cx , α, L _c , L _PF и C _PF , когда изменяется только L _C .

РИС. 18B показаны отношения между Q _cx , α, L _c , L _PF и C _PF , когда изменяется только L _PF .

РИС. 18C показывает отношения между Q _cx , α, L _c , L _PF и C _PF , когда изменяется только C _PF .

В описании и прилагаемой формуле изобретения используются следующие определения. «Система компенсации TCLC» используется для представления трехфазной трехпроводной системы электросети с компенсатором TCLC, описанным в данном документе, подключенным к ней для компенсации реактивной мощности.«Система электросетей» – это взаимосвязанная сеть для доставки электроэнергии от источника, вырабатывающего электричество, потребителям, при этом источник производства электроэнергии называется «источником энергии». Примером источника энергии является возобновляемый источник энергии. Предпочтительным применением настоящего раскрытия является ветряная электростанция. В некоторых вариантах осуществления система энергосистемы представляет собой трехфазную систему передачи электроэнергии. На практике в энергосистеме обычно используются три фазы.«Частота системы» – это частота сети или номинальная частота колебаний переменного тока (AC) в системе электросети, которая обычно составляет 50 или 60 Гц. «Линия» в электросети означает любую из трех фаз электросети. Мощность, передаваемая и поставляемая энергосистемой, состоит из «активной мощности» и «реактивной мощности». Реальная мощность обеспечивает чистую передачу энергии от источника выработки электроэнергии к нагрузке через энергосистему. Реактивная мощность из-за разницы фаз между напряжением и током не передает полезную энергию нагрузке.«Полная мощность» – это векторная сумма реальной мощности и реактивной мощности, которую можно использовать для расчета коэффициента мощности (PF). В описании, на чертежах и в прилагаемой формуле изобретения индекс «x» используется для обозначения фаз a, b и c в целом и вместе. «Напряжение сети», «фазовое напряжение сетки» и «среднеквадратичное напряжение сетки» используются взаимозаменяемо с сокращением V _x (с заглавной буквой «V») для обозначения среднеквадратичного фазового напряжения сетки в целом для каждого линия электросети.«Мгновенное напряжение сети» с аббревиатурой v _x – это напряжение сети в определенный момент. «Гармоники» в энергосистеме – это синусоидальная составляющая периодической волны в энергосистеме (как напряжения, так и тока), имеющая гармоническую частоту, которая является кратным порядком частоты системной частоты энергосистемы. Поскольку компенсатор TCLC будет генерировать гармонические токи во время каждого цикла переключения тиристоров, кратный порядок частоты системы электросети в генерируемом гармоническом токе называется «гармоническим порядком».Большой гармонический ток может вызвать нежелательные искажения периодической волны в электросети. Следовательно, необходимо, чтобы электрическая сеть соответствовала стандарту качества с меньшими искажениями. Если не указано иное, «стандарт» относится к «стандарту IEEE 519-2014» [10], который устанавливает рекомендуемые пределы для общих гармонических искажений системного тока и напряжения системы (THDi _sx и THDv _sx ) для компенсация индуктивной и емкостной реактивной мощности.

Термины «тиристор», «кремниевый управляемый выпрямитель» и «SCR», используемые в данном документе, взаимозаменяемы для обозначения твердотельного полупроводникового устройства с тремя выводами и четырьмя слоями чередующихся материалов N-типа и P-типа. при этом три вывода обозначены как анод, катод и затвор. Для упрощения схематических диаграмм, показанных на фиг. 1, 2 и 3 сигнальные соединения с электронным контроллером и соединения между электронным контроллером и выводами затвора тиристоров не показаны, поэтому принципиальные схемы ясны и легко читаются.Сигнальные соединения с электронным контроллером и соединения между электронным контроллером и выводами затвора тиристоров подробно описаны и показаны на фиг. 5 вместо этого.

В данном документе представлен компенсатор LC (TCLC) с тиристорным управлением для компенсации динамической реактивной мощности в энергосистеме, который снижает инжекцию гармонических токов от твердотельных переключателей во время включения или выключения. Примерный компенсатор TCLC соединен шунтом с трехфазной системой электросети и включает электронный контроллер, индуктор связи (L _c ), первую ветвь цепи с параллельным индуктором (L _PF ) и твердотельный -состояний и вторая ветвь цепи с параллельным конденсатором (C _PF ), при этом дроссель связи (L _c ) включен последовательно с параллельной комбинацией первой и второй ветвей цепи.Электронный контроллер для компенсатора TCLC сконфигурирован в соответствии с обобщенной теорией мгновенной реактивной мощности для повышения скорости реакции вместо использования традиционной концепции средней реактивной мощности.

Конфигурация схемы

Примерный компенсатор TCLC показан на фиг. 1, которая изображает принципиальную схему трехфазной трехпроводной системы компенсации TCLC 100 , соединенной звездой. Топология основана на структуре SVC с улучшениями, позволяющими компенсировать динамическую реактивную мощность и уменьшить инжекцию гармонических токов твердотельного двунаправленного переключателя 112 .Система компенсации TCLC 100 компенсирует реактивную мощность, вырабатываемую из возобновляемых источников энергии, для промышленного и / или бытового использования. В случае энергии ветра энергия вырабатывается ротором 101 и коробкой передач 102 ветряной турбины. Хотя раскрытые варианты осуществления преимущественно основаны на ветровой энергии в качестве примера возобновляемого источника энергии, следует понимать, что другие источники энергии, отличные от энергии ветра, входят в объем настоящего раскрытия.

Система компенсации TCLC 100 состоит из трехфазной системы электросети 104 , индукционного генератора 103 , компенсатора LC (TCLC) с тиристорным управлением 110 с тремя ветвями подсхемы и электронного контроллера 200 . Индукционный генератор , 103, представляет собой электрический генератор переменного тока (AC) для выработки трехфазной энергии от коробки передач , 102, ветряной турбины. Он может генерировать фазное сетевое напряжение (v _x ) с генерируемым сетевым током (i _Gx ) на каждой линии.В альтернативном варианте осуществления индукционный генератор , 103, может быть заменен другими синхронными генераторами. На каждой фазе энергосистемы 104 имеется системный индуктор (L _s ) 105 для ограничения тока и фильтрации пиков тока. Системный индуктор (L _s ) 105 может быть одним индуктором или множеством последовательно соединенных индукторов. На выводе системного индуктора (L _s ) 105 измеряет фазное напряжение сети (v _x ).Для каждой фазы электросети 104 компенсатор TCLC 110 подключен к системе электросети соответственно на выводе системного индуктора (L _s ) 105 для уменьшения инжекции гармонического тока и улучшения компенсация реактивной мощности. Генерируемый сетевой ток (i _Gx ) от индукционного генератора 103 делится соответственно так, чтобы ток электросети (i _sx ) протекал через системный индуктор (L _s ) 105 и компенсирующий ток (i _cx ) течет в компенсатор TCLC 110 .

Компенсатор TCLC 110 содержит три ветви подсхемы, причем каждая ветвь подсхемы имеет первый вывод ответвления и второй вывод ответвления. Три ветви подсхемы аналогичны по структуре с одинаковыми компонентами. Каждая ветвь подсхемы подключена к одной линии энергосистемы для компенсации динамической реактивной мощности. Каждая ветвь подсхемы дополнительно содержит индуктивность связи (L _c ) 106 , подключенную последовательно с комбинацией параллельного конденсатора (C _PF ) 109 параллельно с управляемым реактором (CR) 111 с углом включения α твердотельного двунаправленного переключателя.Управляемый реактор (CR) 111 дополнительно содержит параллельный индуктор (L _PF ) 107 , соединенный последовательно с твердотельным двунаправленным переключателем 112 . Твердотельный двунаправленный переключатель 112 может быть реализован как два встречно соединенных тиристора (T _x1 и T _x2 ) 108 . Два тиристора , 108, соединены обратно параллельно друг другу, а выводы затвора подключены к электронному контроллеру 200 .Следовательно, твердотельный двунаправленный переключатель , 112, может быть включен с помощью сигналов запуска 202 от управляющего компонента 200 . Варианты осуществления на фиг. 1 соединены в звездообразной конфигурации, при этом первый вывод ответвления каждой ветви подсхемы подключен к каждой линии системы электросети, а все вторые выводы ответвления подсхем соединены между собой. В свете простоты схемных конфигураций компенсатор TCLC 110 эффективен и экономичен.В качестве альтернативы, система компенсации TCLC , 100, может быть подключена по схеме треугольника путем подключения компенсатора TCLC с треугольной конфигурацией 110 b к электросети 104 , как показано на фиг. 2. В компенсаторе TCLC с треугольной конфигурацией , 110, , b, , первый вывод каждого ответвления подсхемы подключен как к линии энергосистемы, так и ко второму выводу ответвления другого ответвления подсхемы. цепи, в то время как вторая ветвь-вывод вышеупомянутой ветви подсхемы соединена как с другой линией энергосистемы, так и с первой клеммой третьей оставшейся ветви подсхемы.Анализ и обсуждение системы компенсации TCLC в дельта-конфигурации 100 b остаются такими же, как в звездообразной конфигурации (фиг. 1), а дельта-конфигурация находится в пределах объема настоящего раскрытия.

Путем применения основных теорий, связанных с расчетом импеданса в электронных схемах, эквивалентное полное сопротивление компенсатора TCLC 110 (X _TCLC (α)) как для соединения звездой (полное сопротивление фазы), так и для соединения треугольником (линия к импедансу линии) можно рассчитать и выразить как:

XTCLC⁡ (α) = XTCR⁡ (α) · XCPFXCPF-XTCT⁡ (α) + XLc = π⁢⁢XLPF⁢XCPFXCPF⁡ (2⁢π-2⁢⁢ α + sin⁢⁢2⁢⁢α) -π⁢⁢XLPF + XLc (1)
, где X _{L c} – полное сопротивление индуктивности связи L _c 106 , X _LPF равно Основные импедансы параллельной индуктивности L _PF 107 , а X _CPF – это основные импедансы параллельного конденсатора C _PF 109 .

Соответственно, эквивалентная фундаментальная зависимость управляемого реактора (CR) 111 может быть выражена следующим образом:

XTCR⁡ (α) = π2⁢π-2⁢α + sin⁢⁢2⁢⁢α · XLPF ( 2)

Динамическая компенсация реактивной мощности

В сети переменного тока (AC) реактивная мощность является результатом действия емкостных и индуктивных элементов в сети. Реактивная мощность может влиять на кривые напряжения и тока и нарушать их соответствие. Поскольку полная мощность является векторной суммой реальной мощности и реактивной мощности, коэффициент мощности (PF) неизбежно будет снижен, если реактивная мощность будет слишком высокой.Чтобы компенсировать динамическую реактивную мощность в электросети , 104, , предпочтительно, чтобы компенсатор TCLC 110 был настроен так, чтобы компенсирующая реактивная мощность (Q _cx ) была равна генерируемой реактивной мощности от мощности источник (Q _Gx ) для компенсации динамической реактивной мощности. Поскольку компенсирующая реактивная мощность (Q _cx ) связана с основным импедансом компенсатора TCLC 110 (X _TCLC (α)), по простому закону Ома мы можем получить следующее уравнение:

(для TCLC компенсатор в звездообразной конфигурации)

Qcx = Vx2XTCLC⁡ (α) = Vx2π⁢⁢XLPF⁢XCPFXCPF⁡ (2⁢⁢π-2⁢⁢α + sin⁢⁢2⁢⁢α) -π⁢⁢XLPF + XLc (3 ⁢A)
(для компенсатора TCLC в дельта-конфигурации)

Qcxy = Vxy2XTCLC⁡ (α) = 3 · Vx2π⁢⁢XLPF⁢XCPFXCPF⁡ (2⁢⁢π-2⁢⁢α + sin⁢⁢2⁢⁢α) -π⁢⁢XLPF + XLc (3⁢b)
, где V _x – среднеквадратичное фазовое напряжение сети на каждой линии электропередачи, Q _cx и Q _cxy – фаза и линия для компенсации реактивной мощности, x и y обозначают фазы a, b и c.

Компенсирующая реактивная мощность Q _cx и Q _cxy зависит от X _Lc , X _LPF , X _CPF и α, все из которых могут использоваться для разработки и настройки параметров индуктора связи. L _c 106 , параллельный индуктор L _PF 107 , параллельный конденсатор C _PF 109 и угол включения (α) в твердотельном двунаправленном переключателе 112 . Два встречно соединенных тиристора T _x1 и T _x2 108 срабатывают поочередно в каждом полупериоде.

РИС. 4 представляет собой схематический чертеж эквивалентного однофазного компенсатора TCLC 110 . Твердотельный двунаправленный переключатель 112 включается в соответствии с сигналами запуска 202 от электронного контроллера 200 и представлен переключателем S 112 a для простоты и наглядности операция. Когда угол включения α установлен на 1800, оба тиристора T _x1 и T _x2 108 для каждой фазы отключаются на весь основной период, что эквивалентно установке переключателя S 112 a в состояние «выключено».Ток через параллельный индуктор L _PF 107 (i _{L PF} ) равен нулю, и компенсатор TCLC 110 сопоставим с индуктором связи L _c 106 , подключенным последовательно с параллельным конденсатор C _PF 109 , и работает как LC-фильтр. Максимальная емкостная компенсирующая реактивная мощность Q _{cx (MaxCap)} от компенсатора TCLC 110 может быть выражена как:

(для компенсатора TCLC в звездообразной конфигурации)

Qcx⁡ (Ma⁢⁢xCap) = – Vx2XCPF-XLc (4⁢a)
(для компенсатора TCLC в дельта-конфигурации)

Qcxy⁡ (Ma⁢⁢xCap) == – Vxy2XCPF-XLc = -3 · Vx2XCPF-XLc (4⁢b)

В качестве альтернативы, когда угол зажигания α установлен на 900, один из тиристоров 108 в твердотельном двунаправленном переключателе 112 включен на половину основного периода, что эквивалентно установке переключателя S 112 a в положение “ на »состоянии.Компенсатор TCLC 110 сравним с индуктором связи L _c 106 , соединенным последовательно с параллельной комбинацией параллельного индуктора L _PF 107 и параллельного конденсатора C _PF 109 . Максимальная индуктивная реактивная мощность Q _{cx (MaxInd)} от компенсатора TCLC 110 может быть выражена как:

(для компенсатора TCLC в звездообразной конфигурации)

QCx⁡ (Ma⁢⁢xInd) = Vx2XLPF⁢XCPFXCPF-XLPF + XLc (5⁢a)
(для компенсатора TCLC в дельта-конфигурации)

Qcy⁡ (Ma⁢⁢xInd) = Vxy2XLPF⁢XCPFXCPF-XLPF + XLc = 3 · Vxy2XLPF⁢XCPFXCPF-XLPF + XLc (5⁢b)

РИС.18 показаны отношения между Q _cx , α, L _c , L _PF и C _PF , когда только один из параметров TCLC (L _c , L _PF или C _PF ) является различный. Расчет основан на условиях, приведенных в таблице I.

Из ФИГ.18A, нет значительного изменения для Q _cx , когда L _c изменяется от 0 до 5 мГн для всех значений α. Следовательно, Q _cx не чувствителен к изменению L _c . На фиг. 18B, индуктивная реактивная мощность Q _{cx (MaxInd)} при α = 90 ° сильно зависит от значения L _PF , в то время как емкостная компенсирующая реактивная мощность Q _{cx (MaxCap)} при α = 180 ° относительно независима. Л _ПФ . На фиг. 18C, емкостная компенсирующая реактивная мощность Q _{cx (MaxCap)} сильно зависит от C _PF при изменении α.Кроме того, следует отметить, что индуктивная реактивная мощность Q _{cx (MaxInd)} может исчезнуть, когда C _PF увеличивается. Это также можно объяснить приведенным выше уравнением (5), поскольку следует отметить, что индуктивная реактивная мощность Q _{cx (MaxInd)} может быть отрицательной, когда X _{C PF} L _PF . Следовательно, необходимо спроектировать X _{C PF} > X _{L PF} с использованием меньшего C _PF , чтобы компаратор TCLC 110 мог компенсировать индуктивную реактивную мощность.

Поскольку диапазон компенсации реактивной мощности компенсатора TCLC 110 зависит в основном от номиналов параллельного конденсатора C _PF 109 и параллельного индуктора L _PF 107 , и в меньшей степени от индуктора связи L _c 106 . Как объяснено выше, предпочтительно, чтобы Q _cx = Q _Gx , чтобы компенсатор TCLC 110 мог компенсировать динамическую реактивную мощность.Таким образом, максимальная индуктивная реактивная мощность Q _{Gx (MaxInd)} равна Q _{cx (MaxCap)} для максимизации генерируемой индуктивной реактивной мощности; а максимальная емкостная реактивная мощность Q _{Gx (MaxCap)} равна Q _{cx (MaxInd)} , генерируемая источником питания для максимизации генерируемой емкостной реактивной мощности. Емкость параллельного конденсатора C _PF 109 и индуктивность параллельного индуктора L _PF 107 могут быть рассчитаны соответственно:

(для компенсатора TCLC в звездообразной конфигурации)

CPF = QGx⁡ (Ma ⁢⁢XInd) ω2⁢QGx⁡ (Ma⁢⁢xInd) ⁢Lc-ω⁢⁢Vx2 (6⁢a)
(для компенсатора TCLC в дельта-конфигурации)

CPF = QGxy⁡ (Ma⁢⁢xInd) ω2⁢QGxy ⁡ (Ma⁢⁢xInd) ⁢Lc-3 · ω⁢⁢Vx2 (6⁢b)
и
(для компенсатора TCLC в звездообразной конфигурации)

LPF = Vx2-ω⁢⁢Lc⁢QGx⁡ (Ma⁢⁢xCap ) ω⁢⁢QGx⁡ (Ma⁢⁢xCap) -ω3⁢Lc⁢CPF⁢QGx⁡ (Ma⁢⁢xCap) + ω2⁢Vx2⁢CPF (7⁢a)
(для компенсатора TCLC в звездообразной конфигурации)

LPF = 3⁢Vx2-ω⁢⁢Lc⁢QGxy⁡ (Ma⁢⁢xCap) ω⁢⁢QGxy⁡ (Ma⁢⁢xCap) -ω3⁢Lc⁢CPF⁢QGxy⁡ (Ma⁢⁢xCap) + 3 · ω2⁢Vx2 ⁢CPF (7⁢b)
где ω – основная угловая частота; x и y обозначают последовательную фазу a, b, c

Подавление гармонического тока

Конкретным аспектом настоящего изобретения являются способ и система для минимизации инжекции гармонического тока в сеть переменного тока (AC).В стандартной конструкции SVC (FC-TCR) в цепи компенсатора TCLC 110 отсутствует дроссель связи L _c 106 для подавления гармоник тока, генерируемых тиристорами 108 . В результате во время переключения твердотельного двунаправленного переключателя 112 в SVC генерируются гармонические токи низкого порядка, что неизбежно ухудшает общие характеристики.

Преимущественно компенсатор TCLC представляет конфигурацию схемы с дросселем связи L _c 106 в компенсаторе TCLC 110 для подавления гармонического тока.Как показано на фиг. 3, тиристоры (T _x1 и T _x2 ) 108 для каждой фазы описанного компенсатора TCLC 110 можно рассматривать как пару двунаправленных переключателей, которые могут генерировать гармонические токи низкого порядка, когда твердотельные двусторонний переключатель состояния 112 изменяет состояние между «включено» и «выключено». Чтобы повысить производительность, необходимо выполнить анализ подавления гармонического тока, чтобы определить оптимальную конфигурацию.Порядок генерируемых гармонических токов может быть вычислен в терминах L _c Следовательно, при соответствующей конструкции дросселя связи L _c 106 , инжекция гармонического тока с помощью твердотельного двунаправленного переключателя 112 может быть минимизирована. .

РИС. 4 изображен эквивалентный однофазный компенсатор TCLC 110 для выполнения анализа подавления гармонического тока. Анализ и модель на фиг. 4 очень похожи для компенсатора TCLC, соединенного звездой, и компенсатора TCLC, соединенного треугольником, а компенсатор TCLC, соединенный звездой, представлен, как показано ниже.Твердотельный двунаправленный переключатель 112 представлен переключателем S 112 a для простоты и наглядности. Когда переключатель S 112 a выключен, дифференциальное уравнение компенсирующего тока i _cx (t) может быть получено как:

Lc⁢dicx⁡ (t) dt + 1CPF⁢∫icx⁡ (t ) ⁢Dt = vx⁡ (t) (8)

С другой стороны, когда включен переключатель S 112 a , могут быть получены следующие соотношения:

Lc⁢dicx⁡ (t) dt + lCPF⁢∫iCPF⁡ (t) ⁢dt = vx⁡ (t) (9) LPF⁢diLPF⁡ (t) dt = lCPF⁢∫iCPF⁡ (t) ⁢dt (10)
и
i _{L PF} + i _{C PF} = i _cx (11)

Комбинируя (9) – (11), можно получить уравнение через i _cx (t) как:

Lc⁢LPF⁢CPF⁢dicx3⁡ (t) dt3-LPF⁢CPF⁢vx⁡ (t) ⁢dicx2⁡ (t) dt2 + (Lc + LPF) ⁢dicx⁡ (t) dt = vx⁡ (t ) (12)

Когда переключатель S 112 a выключен, ток i _cx через дроссель связи L _C 106 , i _{cx _ 90 043 от (t), является уравнением второго порядка.Между тем, когда переключатель S 112 a включен, ток i cx через дроссель L C 106 , i cx _ на (t), является Уравнение третьего порядка. Оба i cx _ от (t) и i cx _ на (t) могут быть выведены путем решения их дифференциальных уравнений (или с помощью преобразования Лапласа) в (8) и (12 ). Результирующие i cx _ от (t) и i cx _ на (t) могут быть выражены следующим образом с током основной гармоники и током гармоники:}

icx⁢⁢_⁢ ⁢Off⁡ (t) = A1⁢sin⁢ (ω⁢⁢t-α) Fundamenta⁢⁢l + K1⁢sin⁡ (ω1⁢t + ϕ1) Гармоника (13)
и

icx⁢⁢_⁢⁢on ⁡ (t) = A2⁢sin⁢ (ω⁢⁢t + α) Fundamenta⁢⁢l + K2⁢cos⁡ (ω2⁢t + ϕ2) Harmonic + K3 (14)
где:

• • α – угол включения твердотельного двунаправленного переключателя;
  • A ₁ и A ₂ – пиковые значения основного компенсирующего тока;
  • K ₁ , K ₂ , K ₃ , ϕ ₁ и ϕ ₂ – постоянные во время каждого цикла переключения;
  • f – системная частота;
  • ω – основная угловая частота системы с ω = 2πf, а
  • ω 1 и ω 2 – угловые частоты гармоник.

На основании приведенного выше расчета ω ₁ и ω ₂ могут быть получены как корни (r ₁ и r ₂ ) однородных уравнений (8) и (12):

r12 + 1Lc⁢CPF = 0 (15)
и
L _c L _PF C _PF r ₂ ³ + ( L _c + L _PF ) r ₂ = 0 (16)

Тогда ω ₁ и ω ₂ могут быть получены как корни r ₁ и r ₂ :

ω1 = 1Lc⁢CPF⁢ (r1 = ± j⁢⁢ω1) (17)
и

ω2 = Lc + LPFLc⁢LPF⁢CPF⁢ (r2 = ± j⁢⁢ω2) (18)

На основании Уравнения (13), (14), (17) и (18) ясно показывают, что твердотельный двунаправленный переключатель в компенсаторе TCLC , 110, будет генерировать гармонические токи во время каждого цикла переключения.Соответствующие порядки гармоник гармонического тока, генерируемого в линии в энергосистеме, могут быть заданы как:

n1 = ω12⁢π⁢⁢f = 12⁢π⁢⁢f⁢Lc⁢CPF (19)
и

n2 = ω22⁢π⁢⁢f = 12⁢π⁢⁢f⁢Lc + LPFLc⁢LPF⁢CPF (20)

Порядки гармоник n ₁ и n ₂ , как показано в уравнениях (19) и (20), в основном зависят от параметров для индуктивности связи L _c 106 , параллельной индуктивности L _PF 107 и параллельного конденсатора C _PF 109 .Для трехфазной трехпроводной системы 100 нет гармонических токов порядка 3n ^{-го порядка} , а общие порядки гармоник составляют 6n ± 1 с n = 1, 2, 3. . . . В частности, гармоника 5 ^{-го порядка} (6n − 1) накладывает на систему ток высшей гармоники. Чтобы избежать инжекции гармонического тока, генерируемого твердотельным двунаправленным переключателем 112 , необходимо настроить n ₁ и n ₂ так, чтобы они были меньше порядка 5 ^th и отклонялись от него.Поскольку порядки гармоник n ₁ и n ₂ зависят от параметров индуктора связи L _c 106 , критерии проектирования L _c 106 могут быть заданы как:

Lc = 1 (2⁢π⁢⁢fn1) 2⁢CPF⁢and⁢⁢Lc = 1 (2⁢π⁢⁢fn2) 2⁢CPF-1 / LPF (21)

Порядки гармоник n ₁ и n ₂ обратно пропорциональны индуктивности дросселя связи L _c 106 . Таким образом, что касается стоимости соединительного дросселя L _c 106 , неидеально резко снижать порядки гармоник n ₁ и n ₂ исключительно для минимизации общего вводимого гармонического тока.Фактически необходимо найти баланс между потребляемым гармоническим током и стоимостью индуктора связи L _c 106 . ИНЖИР. 6 показан общий ток гармоник, вводимый компенсатором TCLC 110 , и соответствующее значение индуктора связи L _c 106 для разных порядков гармоник.

В некоторых вариантах реализации порядок гармоники n гармонического тока выбирается меньшим и отличным от 5, чтобы ограничить общий вводимый гармонический ток при выбранном n не более 50% от общего вводимого гармонического тока при n = 5. .В другом варианте осуществления порядок гармоник n гармонического тока выбирается меньше 5, чтобы ограничить общий вводимый гармонический ток при выбранном n не более 50% от общего вводимого гармонического тока при n = 5.

Аналогичным образом, чтобы минимизировать стоимость соединительной катушки индуктивности L _c 106 , порядок гармоник не должен быть слишком маленьким. В одном варианте осуществления порядок гармоник выбран больше 1,5, чтобы ограничить индуктивность индуктора связи L _c 106 при выбранном n не более 50% индуктивности индуктивности связи L _c 106 при n = 1.5. Электронный контроллер

и методология управления

На основе системы компенсации TCLC 100 , как описано выше, в предыдущем анализе были тщательно изучены критерии проектирования для оптимизации компенсации реактивной мощности и инжекции гармонического тока. Для управления компенсатором TCLC , 110, соответственно, необходимы хорошо управляемые триггерные сигналы 202 от электронного контроллера 200 . В отличие от традиционной топологии SVC, использующей традиционное определение реактивной мощности, раскрытый электронный контроллер 200 основан на обобщенной теории мгновенной реактивной мощности [9], которая может улучшить скорость реакции.ИНЖИР. 5 изображает принципиальную схему электронного контроллера 200 компенсатора TCLC 110 .

Электронный контроллер 200 , как описано, содержит контур фазовой автоподстройки частоты (PLL) 201 , множество фильтров нижних частот (LPF) 203 , справочную таблицу (LUT) 204 и компаратор 205 . Мгновенное напряжение сети (v _x ) и генерируемый ток сети (i _Gx ) каждой фазы подаются в электронный контроллер 200 .Контур фазовой автоподстройки частоты (PLL) 201 может отслеживать фазовый угол мгновенного напряжения сети (v _x ) и генерировать фазовый угол (θ _x ) для каждой линии электросети 104 . Углы включения (α) твердотельного двунаправленного переключателя определяются из LUT 204 на основе реактивной мощности источника питания (Q _Gx ) и квадрата нормы трехфазного мгновенного напряжения сети (v ∥ ² ), который затем сравнивается с фазовым углом (θ _x ) для генерации сигналов запуска 202 .

Для расчета X _TCLC в реальном времени выражение X _TCLC можно переписать в терминах мгновенных значений как:

(для компенсатора TCLC в звездообразной конфигурации)

XTCLC = Vx2Qcx = -2 ·  v_23 · q_Gx (22⁢a)
(для компенсатора TCLC в дельта-конфигурации)

XTCLC = Vxy2Qcxy = -2 · v_2q_Gxy = 2 · v_2q_Gz-q_Gx-q_Gy (22⁢b)
In (22) v∥ ² и q _Gx можно выразить как:
∥ v∥ ² = v _a ² + v _b ² + v _c ² = 3 · V _x ² = V _xy ² (23)
и

[qGaqGbqGc] = [vb · iGc-vc · iGbvc · iGa-va · iGcva · iGb-vb · iGa] (24)
где:

• • x, y, z обозначают последовательные фазы a, b, c;
  • v _x – мгновенное напряжение сети;
  • ∥v∥ ² – составляющие постоянного тока квадрата нормы трехфазного мгновенного напряжения сети;
  • q _Gx – мгновенная реактивная мощность источника питания индукционного генератора или нагрузки;
  • q _Gx – составляющие постоянного тока мгновенной реактивной мощности источника питания индукционного генератора или нагрузки; и
  • Q _cx и Q _cxy – фазная и межфазная компенсирующая реактивная мощность, обеспечиваемая компенсатором TCLC, Q _cx ≈ − q _Gx /2 и Q _cxy ≈ (q _Gz −q _Gx −q _Gy ) / 2.

Выражение в реальном времени для ∥v∥ ² и q _Gx может быть получено из уравнений (23) и (24) с множеством фильтров нижних частот (LPF) 203 . Как показано на фиг. 5, после вычисления X _TCLC по (22) угол включения α _x твердотельного двунаправленного переключателя может быть определен путем решения (1). Учитывая, что (1) не имеет решения близкой формы, LUT 204 можно использовать для прямого получения α _x .Наконец, триггерные сигналы могут быть сгенерированы компаратором 205 , который сравнивает α _x с фазовым углом напряжения сети θ _x для соединения звездой или фазовым углом между фазным напряжением θ _xy для дельты связаны. Для компенсатора TCLC с соединением звездой, когда фазовый угол θ _x (или θ _x для соединения треугольником) больше, чем α _x (или α _xy для соединения треугольником), тиристор T _x1 (или T _{) xy1} для соединения треугольником) 108 срабатывает.Точно так же, когда фазовый угол θ _x меньше 180 ° −α _x (или 180 ° −α _xy для соединения треугольником), тиристор T _x2 (или T _xy2 для соединения треугольником) 108 срабатывает.

Реализация и проверка

Согласно раскрытым выше вариантам осуществления раскрытая топология TCLC проверяется как с помощью моделирования, так и экспериментов по сравнению с традиционным FC-TCR (в SVC) и FC-TCR + PPF (комбинация SVC и пассивной мощности фильтр).Моделирование выполняется с использованием PSCAD / EMTDC. В ходе экспериментов были спроектированы и изготовлены в лаборатории трехфазный трехпроводной TCLC-компенсатор 110 В-5 кВА 110 и опытные образцы FC-TCR. Цифровой контроллер TMS320F2812 применяется как для компенсатора TCLC 110 , так и для FC-TCR с частотой дискретизации 25 кГц, где используются тиристоры SanRex PK110FG160. В таблице II ниже показаны системные параметры энергосистемы, традиционные FC-TCR, FC-TCR + PPF и описанный компенсатор TCLC 110 (n ₁ = 3.6 и n ₂ = 3.8) как для моделирования, так и для экспериментов.

ИНЖИР.7 показано сравнение между (а) обычным FC-TCR и (b) компенсатором TCLC , 110, , разработанным в соответствии с настоящим изобретением, на смоделированных основных и гармонических компенсирующих токах при различных углах зажигания (α). Фиг. 8, 9, 13 и 14 показаны смоделированные и экспериментальные формы сигналов напряжения сети и тока системы до и после традиционных FC-TCR, FC-TCR + PPF (только на фиг. 8 и 9) и раскрытого компенсатора TCLC при индуктивном и емкостные корпуса реактивной мощности.Фиг. 10 и 15 представлены результаты моделирования и экспериментов для динамической компенсации реактивной мощности с использованием описанного компенсатора TCLC 110 . Фиг. На фиг.11, 12, 16 и 17 показаны смоделированные и экспериментальные спектры тока сетевой системы после компенсаций FC-TCR, FC-TCR + PPF (только на фиг. 11 и 12) и TCLC как для индуктивной, так и для емкостной реактивной мощности.

В ходе анализа анализируются коэффициент мощности, полное гармоническое искажение напряжения системы (THDv _sx ) и полное гармоническое искажение тока системы (THDi _sx ), чтобы подтвердить, можно ли достичь ожидаемых характеристик.PF – это соотношение между активной и полной мощностью. THD – это отношение между среднеквадратичным значением всех гармоник и среднеквадратическим значением основной составляющей для напряжения и тока соответственно. В соответствии со стандартом IEEE 519-2014 [10], THD _vx для лабораторных низковольтных приложений (напряжение на шине <1 кВ) должен быть ниже 8%. С другой стороны, требуется, чтобы THDi _sx был ниже 15% в нынешних лабораторных условиях I _SC / I _Lϵ [100, 1000].

Результаты моделирования

Когда FC- Применяется TCR, фиг. 8 ( a ) и 9 ( a ), таблица III показывает, что смоделированный коэффициент мощности наихудшей фазы был скомпенсирован с исходных 0,72 (индуктивный коэффициент мощности) и 0,66 (емкостной коэффициент мощности) до 0,98 для обоих случаев. Как показано на фиг. 8 ( a ) и 9 ( a ), а также фиг. 11 ( a ) и 12 ( a ), THDi _sx увеличиваются после компенсации FC-TCR.Однако наихудший фазовый симулированный ток сетевой системы THDi _sx (THDi _sx = 18,6% для индуктивного случая и THDi _sx = 24,0% для емкостного случая) не может соответствовать стандарту. Кроме того, фиг. 8 ( a ) и 9 ( a ) и ФИГ. 11 ( a ) и 12 ( a ) ясно показывают, что большие гармонические токи порядка 5 ^-го и 7 ^-го вводятся в энергосистему после компенсации, что согласуется с результатами моделирования, показанными на фиг.7А.

Из ФИГ. 8B и 9B, фиг. 11B и 12B и таблица III, с PPF, настроенным на порядок 5 ^th , FC-TCR + PPF может эффективно уменьшить гармонический ток порядка 5 ^th , генерируемый FC-TCR. После компенсации FC-TCR + PPF коэффициенты мощности были улучшены до 0,99, а коэффициент THDi _sx составляет ≤10,0% для компенсации индуктивной и емкостной реактивной мощности.

Когда применяется компенсатор TCLC 110 , фиг. 8C и 9C и таблица III показывают, что моделируемые коэффициенты мощности наихудшей фазы компенсируются почти до единицы для компенсации индуктивной и емкостной реактивной мощности.Как показано на фиг. 8C и 9C и фиг. 11C и 12C, смоделированный системный ток THDi _sx наихудшей фазы компенсируется до 7,5% для индуктивного случая и 8,1% для емкостного случая, в котором смоделированный THDi _sx удовлетворяет стандарту. Кроме того, фиг. 11C и 12C ясно показывают, что намного меньшие гармонические токи порядка 5 ^-го и 7 ^-го вводятся в энергосистему после компенсации TCLC, что согласуется с результатами моделирования, показанными на фиг.7B, и проверяет эффективность описанного компенсатора , 110, TCLC в снижении инжекции гармоник тока во время работы. Кроме того, фиг. 10 показывает, что раскрытый компенсатор , 110, TCLC может динамически компенсировать индуктивную и емкостную реактивную мощность.

Основываясь на результатах моделирования, как FC-TCR + PPF, так и описанный компенсатор TCLC 110 могут достигать лучших характеристик, чем FC-TCR. Сравнивая FC-TCR + PPF с TCLC, они получают аналогичные характеристики компенсации, но TCLC требует меньше компонентов, что приводит к более низкой стоимости.

Результаты экспериментов

Если FC-TCR применено, фиг. 13 ( a ) и 14 ( a ) и таблица IV показывают, что экспериментальные коэффициенты мощности наихудшей фазы скомпенсированы до 0,95 (фазы a и c) и 0.94 (фаза c) от исходных 0,69 (индуктивный коэффициент мощности) и 0,65 (емкостной коэффициент мощности) соответственно. Как показано на фиг. 13 ( a ) и 14 ( a ) и ФИГ. 16 ( a ) и 17 ( a ), наихудший фазовый экспериментальный ток сетевой системы THDi _sx (THDi _sx = 31,1% для индуктивного случая и THDi _sx = 20,7% для емкостного случая) не может удовлетворить стандарт.

Когда применяется компенсатор TCLC 110 , ФИГ. 13 ( b ) и 14 ( b ) и таблица IV показывают, что экспериментальные коэффициенты мощности наихудшей фазы скомпенсированы почти до единицы (0.99 и 0,98) для компенсации индуктивной и емкостной реактивной мощности. Как показано на фиг. 13 (b ) и 14 (b ), а на ФИГ. 16 ( b ) и 17 ( b ) экспериментальные THDi _sx наихудшей фазы были скомпенсированы до 6,6% для индуктивного случая и 9,7% для емкостного случая, в которых THDi _sx удовлетворяет стандарту . Кроме того, фиг. 13 ( b ) и 14 ( b ) ясно показывают, что намного меньшие гармонические токи порядка 5 ^th и 7 ^th вводятся в систему электросети после компенсации TCLC.ИНЖИР. 15 показывает, что раскрытый компенсатор , 110, TCLC может динамически компенсировать индуктивную и емкостную реактивную мощность.

На основе результатов моделирования и экспериментов показано, что компенсатор TCLC 110 может обеспечить лучшую динамическую компенсацию реактивной мощности с гораздо меньшим количеством гармонических токов, в то время как традиционный FC-TCR вводит значительные гармоники тока низкого порядка в электрическую сеть. во время операции.

Хотя раскрытый компенсатор TCLC описывает определенные примеры с определенными параметрами системы, следует понимать, что описанные здесь системы и способы не ограничиваются этими примерами и параметрами системы, а, наоборот, предназначены для включения различных модификаций и эквивалентные устройства, входящие в сущность и объем прилагаемой формулы изобретения.

В данной патентной заявке цитируются следующие документы. Ссылки [1] и [3] – [9] включены сюда в качестве ссылки.

• [1] X. Yuan et al., «Контроль напряжения в звене постоянного тока полного преобразователя мощности для ветрогенератора, работающего в слабосетевых системах», IEEE Trans. Power Electron ., Т. 24, вып. 9, pp. 2178-2192, September 2009.
• [2] K.-J. Sun, «Схема компенсации емкости LC управления тиристорами», CN201966624U, сентябрь 2011 г.
• [3] С. Э. Хак, Н. Х. Малик и У. Шеперд, «Работа компенсатора коэффициента мощности с параллельным конденсаторным тиристорным реактором (FC-TCR)», IEEE Trans. Power App. и Syst ., vol. ПАС-104, № 6, июль 1985 г.
• [4] Б. Сингх, Р. Саха, А. Чандра и К. Аль-Хаддад, «Статические синхронные компенсаторы (STATCOM): обзор», IET Power Electron ., Vol. 2, вып. 4, стр. 297-324, июль 2009 г.
• [5] Дж. С. Бентон, «Виртуальный прибор для измерения коэффициента заполнения фильтра гармоник», IEEE Comput.Appl. Мощность , об. 8, вып. 4, стр. 43-46, октябрь 1995 г.
• [6] Л. Занотто и др., «Конструкция фильтра для снижения гармоник в высоковольтных усилителях для железнодорожных приложений», IEEE Trans. Мощность Del ., Т. 20, нет. 1, стр. 258-263, январь 2005 г.
• [7] А. Луо и др. «Комбинированная система для подавления гармоник и компенсации реактивной мощности», IEEE Trans. Ind. Electron ., Vol. 56, нет. 2, pp. 418-428, February 2009.
• [8] Д. Б. Кулкарни и Г.Р. Удупи, «Переключение SVC на основе ANN на уровне распределения для минимально вводимых гармоник», IEEE Trans. Мощность Del . т. 25, нет. 3, стр. 1978–1985, июль 2010.
• [9] Ф. З. Пенг и Дж. С. Лай, «Обобщенная теория мгновенной реактивной мощности для трехфазных энергосистем», IEEE Trans. Instrum. МР ., Т. 45, нет. 1, pp. 293-297, February 1996.
• [10] Практика и требования, рекомендованные IEEE для контроля гармоник в электроэнергетических системах, 2014 г., Стандарт IEEE 519-2014.

Тиристоры – Estel

Тиристоры используются в преобразователях постоянного и переменного тока с рабочей частотой до 1000 Гц, в инвертирующих и переключающих цепях преобразовательных установок для электровозов и других типов электромобилей, в выпрямителях мощности для гальванических ванн, для зарядки аккумуляторных батарей, в высоковольтные выпрямительно-инверторные блоки подстанций ЛЭП постоянного тока, а также в противообледенительном оборудовании самолетов.