В промышленности и быту существует множество устройств, в которых предусмотрена возможность регулировки выходной мощности. Регулировка, например, частоты вращения электродвигателя переменного тока (электроинструмент, миксеры, пылесосы, вентиляторы), интенсивность нагрева электропечи или паяльника, выходная нагрузочная способность источников питания на управляемых выпрямителях. Для решения этих задач применяется простой и эффективный фазовый регулятор мощности на тиристорах.
Список сокращений, используемых в тексте:
ФРМ — фазовая регулировка мощности;
ТК — тиристорный ключ;
УЭ — управляющий электрод.
Как и полупроводниковый диод, тиристор пропускает через себя ток в одном направлении, и при этом является силовым ключом (или вентилем), поскольку откроется только в том случае, если на его управляющий электрод (УЭ) относительно катода подать кратковременный импульс напряжения. И тиристорный ключ (ТК) будет открыт до тех пор, пока сила тока, протекающего через него, не станет меньше определённого значения (так называемый ток удержания). На основании этих принципов работы и строится метод ФРМ. Тиристорные регуляторы мощности предназначены для работы только с переменным током.
Для простоты понимания и наглядности рассмотрим фазовый метод на примере простой схемы:
Предположим, что нам нужно управлять яркостью лампочки EL1. Для этого включим последовательно с ней вентиль VS1, управляемый «автоматизированной» кнопкой SB1. Посредством кнопки на УЭ подаётся управляющий сигнал через токоограничивающий резистор R1.
Переменное сетевое напряжение прикладывается к зажимам «L» и «N» (фаза и ноль соответственно). В исходном состоянии, когда кнопка не зажата, ТК заперт, а потому лампочка обесточена и вовсе не горит. Если смотреть осциллографом сеть питания и падение напряжения на лампочке при запертом ТК, то формы сигналов будут выглядеть так:
В рассматриваемой нами схеме всего один ТК, поэтому он будет пропускать только один полупериод. При этом формы сигналов будут выглядеть следующим образом
Как видно по осциллограмме, через нагрузку проходит только положительная полуволна (тиристор работает как однополупериодный выпрямитель). Лампочка работает только в половину возможной интенсивности.
Чтобы силовой ключ открывался полностью, необходимо каждые 20 миллисекунд (длительность периода переменного сетевого напряжения с частотой 50 Гц) подавать на УЭ вентиля короткий импульс. Причём строго в момент пересечения синусоиды через ноль. В нашем случае подача открывающего сигнала соответствует кратковременному замыканию кнопки SB1 (на практике вполне достаточно длительности импульса в 100 микросекунд).
Иначе: в тот момент, когда синусоида проходит через ноль, мы подаём на УЭ короткий импульс, который открывает ТК. Он будет открыт, пока питание соответствует положительной полуволне. И как только она вновь пересекает ноль, ТК запирается. А синусоида продолжает идти по отрицательной полуволне, при этом тиристор не пропускает ток, поскольку он способен это делать только в прямом направлении. Даже если на его УЭ подать открывающий сигнал.
Управление моментом открытия ТК позволяет регулировать уровень мощности, выделяемой на нагрузке. К примеру, будем подавать открывающий импульс на УЭ не в момент перехода синусоиды через ноль, а в момент, когда она находится в пике амплитуды:
По осциллограмме видно, что на нагрузку прикладывается лишь только половина полупериода. В те временные моменты, когда синусоида переходит через ноль и вступает в положительный полупериод (на осциллограмме точки «0 мс», «20 мс», «40 мс»), начинается отсчёт времени, в течение которого мы ожидаем, когда нужно открыть силовой ключ. Как только амплитуда напряжения достигает пика (то есть через 5 мс), мы нажимаем на кнопку, и ключ открывается. Оставшиеся 5 мс полупериода ТК открыт, пока синусоида не перейдёт через ноль и вступит в отрицательный полупериод (на осциллограмме точки «10 мс» и «30 мс»).
И вот как раз изменяя момент включения ТК можно регулировать эффективность использования энергии на нагрузке. Регулируя фазу полупериода синусоиды, в течение которой ТК открыт, и есть та самая фазовая регулировка мощности.
На практике для ФРМ применяют сразу два ТК: один используется для пропускания положительной полуволны, а второй — для отрицательной. Так более эффективно управлять мощностью на нагрузке. Ведь в ранее рассмотренном нами устройстве (см. рис. 1) применялся только один ТК, поэтому мы могли управлять только положительным полупериодом, а отрицательный — вовсе отсекался и на нагрузку никак не шёл. Из-за этого терялась возможность использовать половину возможной энергии.
Далее представлен теоретический вариант устройства ФРМ на двух силовых вентилях:
Изначальная схема дополнилась ещё одним силовым ключом со своей цепью управления. Для более наглядного понимания принципа работа данного решения лучше всего проследить путь прохождения токов в течение положительной и отрицательной полуволны.
Когда в сети питания идёт положительная полуволна, ток протекает через нагрузку EL1, потом через ключ VS1, и уходит на нейтраль. В процессе прохождения отрицательной полуволны ток проходит через вентиль VS2 и лампочку EL1, уходя на фазу. ТК чередуются между собой, и каждый пропускает свою полуволну. Подача сигналов на УЭ также производятся поочерёдно. Ниже представлены осциллограммы сигналов на нагрузке при различных фазах открытия ТК, соответствующих определённым уровням интенсивности работы.
Как видно по осциллограммам, чем позже от момента пересечения ноля подаётся сигнал на открытие ТК, тем меньше фаза напряжения, прикладываемого на нагрузку, и, соответственно, меньше мощность.
Одним из недостатков ФРМ является возникновение помех в сети питания в те моменты, когда открываются тиристоры. Особенно сильны помехи при включении ТК при максимальной амплитуде напряжения. Это может негативно сказываться на работе других устройств, которые подключены к той же линии сетевого питания.
Поэтому в тех случаях, где не требуется непрерывная подача питания (например, нагреватели в печах), вместо ФРМ применяется целочисленное регулирование: управляющий сигнал определяет число пропускаемых в нагрузку целых полупериодов, или же периодическая подача сетевого напряжения посредством полного открывания тиристоров в течение некоторого времени.