Ovládanie odporovej pece. Open Library – otvorená knižnica vzdelávacích informácií. Tyristory s riadiacou elektródou môžu byť
V elektrických odporových peciach vo veľkej väčšine prípadov najjednoduchšia forma ovládanie teploty - dvojpolohová regulácia, v ktorom má výkonný prvok riadiaceho systému - stýkač iba dve krajné polohy: "zapnuté" a "vypnuté".
V zapnutom stave teplota pece stúpa, pretože jej výkon je vždy zvolený s rezervou a zodpovedajúca teplota v ustálenom stave výrazne prevyšuje jej prevádzkovú teplotu. Keď je pec vypnutá, teplota pece klesá po exponenciálnej krivke.
Pre idealizovaný prípad, keď v systéme regulátor - pec nie je žiadne dynamické oneskorenie, je činnosť regulátora zapnutá a vypnutá znázornená na obr. 1, na ktorom je v hornej časti uvedená závislosť teploty pece od času a v dolnej časti zodpovedajúca zmena jej výkonu.
Ryža. 1. Idealizovaná schéma činnosti dvojpolohového regulátora teploty
Pri zahriatí pece bude jej výkon najskôr konštantný a rovný menovitému, preto sa jej teplota zvýši na bod 1, keď dosiahne hodnotu t set + ∆ t1. V tomto momente bude regulátor fungovať, stykač vypne pec a jej výkon klesne na nulu. Výsledkom je, že teplota pece začne klesať pozdĺž krivky 1-2, kým sa nedosiahne spodná hranica mŕtvej zóny. V tomto okamihu sa pec opäť zapne a jej teplota sa opäť začne zvyšovať.
Proces regulácie teploty pece podľa princípu zapnutia-vypnutia teda spočíva v jej zmene pozdĺž pílovej krivky okolo danej hodnoty v intervaloch +∆ t1, -∆t1 určená mŕtvou zónou ovládača.
Priemerný výkon pece závisí od pomeru časových intervalov jej zapnutého a vypnutého stavu. Ako sa pec zahrieva a zaťažuje, krivka ohrevu pece bude strmšia a krivka chladenia pece bude plochejšia, takže pomer periód cyklu sa zníži a následne klesne aj priemerný výkon Рav.
Pri ovládaní zapnutia a vypnutia sa priemerný výkon rúry vždy upraví tak, aby zodpovedal výkonu potrebnému na udržanie konštantnej teploty. Mŕtva zóna moderných termostatov môže byť veľmi malá a môže byť zvýšená na 0,1-0,2°C. Skutočné kolísanie teploty pece však môže byť mnohonásobne väčšie v dôsledku dynamického oneskorenia v systéme regulátor-pec.
Hlavným zdrojom tohto oneskorenia je zotrvačnosť snímača termočlánku, najmä ak je vybavený dvoma ochrannými krytmi, keramickým a kovovým. Čím väčšie je toto oneskorenie, tým viac kolísanie teploty ohrievača presahuje mŕtvu zónu regulátora. Okrem toho amplitúdy týchto oscilácií veľmi silne závisia od nadmerného výkonu pece. Čím viac výkon zapnutia pece prevyšuje priemerný výkon, tým väčšie sú tieto výkyvy.
Citlivosť moderných automatických potenciometrov je veľmi vysoká a dokáže splniť akúkoľvek požiadavku. Naopak, zotrvačnosť snímača je veľká. Takže štandardný termočlánok v porcelánovom hrote s ochranným krytom má oneskorenie asi 20-60 s. Preto v prípadoch, keď sú teplotné výkyvy neprijateľné, sa ako snímače používajú nechránené termočlánky s otvoreným koncom. To však nie je vždy možné z dôvodu možného mechanického poškodenia snímača, ako aj zvodových prúdov vstupujúcich do zariadení cez termočlánok, čo spôsobuje ich poruchu.
Zníženie výkonovej rezervy je možné dosiahnuť, ak sa pec nezapína a nevypína, ale prepína sa z jednej úrovne výkonu na druhú, pričom najvyššia úroveň by mala byť len o niečo vyššia ako výkon spotrebovaný pecou a nižšia jeden - o niečo menej. V tomto prípade budú krivky ohrevu a chladenia pece veľmi ploché a teplota sotva prekročí mŕtvu zónu zariadenia.
Na uskutočnenie takéhoto prepínania z jednej úrovne výkonu na druhú je potrebné, aby bolo možné plynulo alebo postupne regulovať výkon pece. Takáto regulácia sa môže uskutočniť nasledujúcimi spôsobmi:
1) prepínanie ohrievačov pece, napríklad z "trojuholníka" na "hviezdu". Takáto veľmi hrubá regulácia je spojená s porušením rovnomernosti teploty a používa sa iba v elektrických ohrievačoch pre domácnosť,
2) zaradenie do série s pecou s nastaviteľným aktívnym alebo reaktívnym odporom. Táto metóda je spojená s veľmi veľkými stratami energie alebo znížením účinníka zariadenia,
3) napájanie pece cez regulačný transformátor alebo autotransformátor s prepínaním pece na rôzne napäťové úrovne. Aj tu je regulácia stupňovitá a pomerne hrubá, pretože napájacie napätie je regulované a výkon pece je úmerný druhej mocnine tohto napätia. Okrem toho dochádza k ďalším stratám (v transformátore) a zníženiu účinníka,
4) fázová regulácia pomocou polovodičových zariadení. V tomto prípade je pec napájaná cez tyristory, ktorých uhol spínania mení riadiaci systém. Týmto spôsobom je možné získať plynulé riadenie výkonu pece v širokom rozsahu takmer bez dodatočných strát, pomocou metód spojitého riadenia - proporcionálne, integrálne, proporcionálne-integrálne. V súlade s týmito metódami musí byť pre každý časový okamih zosúladený výkon absorbovaný pecou a výkon uvoľnený v peci.
Najúčinnejšia zo všetkých metód regulácie teploty v elektrických peciach je pulzná regulácia pomocou tyristorových regulátorov.
Proces pulzného riadenia výkonu pece je znázornený na obr. 2. Frekvencia prevádzky tyristorov sa volí v závislosti od tepelnej zotrvačnosti elektrická rúra odpor.
Ryža. 2. Tyristorový regulátor teploty spínania elektrická odporová pec
Existujú tri hlavné spôsoby ovládania impulzov:
Regulácia impulzov pri spínacej frekvencii - f k \u003d 2f s (kde f s je frekvencia sieťového prúdu) so zmenou spúšťacieho momentu tyristora sa nazýva fázový impulz alebo fáza (krivky 1),
Impulzné riadenie so zvýšenou spínacou frekvenciou f až
Impulzná regulácia so zníženou spínacou frekvenciou f až f c (krivky 3).
1 Účel práce
1.1 Oboznámte sa so zariadením elektrickej odporovej pece, elektrickými ohrievačmi, prevádzkovým režimom elektrickej pece a elektrickým riadiacim obvodom.
2 Pracovný poriadok
2.1 Zapíšte si technické (pasové) údaje elektrickej pece a el meracie prístroje.
2.2 Oboznámte sa so zariadením elektrickej odporovej pece a účelom jej jednotlivých častí.
2.3 Oboznámte sa s elektrickým obvodom na ovládanie prevádzkových režimov elektrickej odporovej pece.
2.4 Zhromažďovať elektrické schéma vykonať experiment.
2.5 Vykonajte experiment na určenie energetickej účinnosti elektrickej odporovej pece.
2.6 Zostavte správu o vykonanej práci.
3 Popis usporiadania laboratória
Laboratórna inštalácia na oboznámenie sa so zariadením, princípom činnosti a účelom jednotlivých častí elektrickej odporovej pece by mala pozostávať z elektrickej odporovej pece komorový typ Modely OKB-194A alebo modely H-15 s nichrómovými ohrievačmi určené na tepelné spracovanie kovov v individuálnej a malosériovej výrobe. Okrem toho musí existovať zdrojový materiál na tepelné spracovanie; na tento účel sa odporúča pripraviť diely, ktoré vyžadujú takéto spracovanie. Hlavné parametre teplotných režimov by mali byť známe.
Na reguláciu teploty sú v elektrickej rúre umiestnené termočlánky. Zariadenie musí mať zariadenie na automatickú reguláciu teploty a mať sadu meracích prístrojov a regulátorov teploty na ohrev východiskového materiálu.
V miestnosti, kde sa džemy vykonávajú, by mali byť zavesené plagáty zobrazujúce elektrické pece rôzne druhy a štruktúry, schémy elektrických obvodov na ovládanie elektrických pecných inštalácií elektrického vykurovania s odporom.
4 Stručné teoretické informácie
Elektrické odporové pece, kde sa elektrická energia premieňa na teplo prostredníctvom kvapalných alebo pevných telies, majú priamy a nepriamy účinok. AT pece priamo pôsobením, je ohrievané teleso priamo pripojené k sieti (obr. 1) a ohrievané prúdom, ktorý ním preteká.
Obrázok 1 - Schematický diagram zariadenia na priamy ohrev kovového predvalku: 1 - vyhrievaný predvalok; 2 - transformátor
AT pece nepriame pôsobením sa teplo uvoľňuje v špeciálnych vykurovacích telesách a odovzdáva sa ohrievanému telesu sálaním, vedením tepla alebo konvekciou. Odporové pece a priame vykurovacie zariadenia sa používajú na ohrev valcových výrobkov (tyče, rúry) a nepriame vykurovanie na tepelné spracovanie výrobkov a materiálov, ako aj na ohrev polotovarov na kovanie a razenie.
Ohrev východiskového materiálu v elektrických odporových peciach sa spravidla uskutočňuje na určitú (nastavenú) teplotu. Po zahrievacej perióde nasleduje doba zdržania potrebná na vyrovnanie teploty. Meranie teploty vykurovania a riadenie zdvihu technologický postup ohrev je možné vykonávať vizuálne a automaticky pomocou automatických regulátorov podľa metódy on-off (periodické zapínanie a vypínanie pece).
Obrázok 2 znázorňuje schému zapojenia riadenia elektrickej pece s reguláciou zapnutia a vypnutia.
Obrázok 2 - Schéma pece s reguláciou zapnutia a vypnutia
Schéma zabezpečuje ručné a automatické ovládanie. Ak prepínač P dať do pozície 1 , potom sa okruh nastaví na manuálne ovládanie a do polohy 2 spínač prepne okruh do automatického ovládania. Zapínanie a vypínanie vykurovacích telies NE vyrobené termostatom TP, ktorého kontakty v závislosti od teploty v peci uzatvárajú alebo otvárajú obvod cievky stykača L priamo alebo cez medziľahlé relé RP. Teplotu ohrevu je možné regulovať zmenou výkonu pece - prepnutím ohrievačov z trojuholníka na hviezdu (obr. 3, a), pričom výkon pece sa zníži trojnásobne a pri jednofázových peciach prepnutím z paralelného zapojenia ohrievačov do sériového (obr. 3, b) .
Obrázok 3 - Elektrický obvod na spínanie ohrievačov pece: a - z trojuholníka do hviezdy; b - od paralelného k sériovému
V elektrických odporových peciach sa ako vykurovacie telesá používajú materiály s vysokým odporom. Tieto materiály by nemali oxidovať a oxidy vytvorené na povrchu by nemali praskať a odrážať sa pri kolísaní teploty.
Komorové pece sú pre svoju všestrannosť najrozšírenejšie pri ohreve surovín, vyrábajú sa vo forme pravouhlej komory so žiaruvzdornou výmurovkou a tepelnou izoláciou, zakryté ohniskom a uzavreté v kovovom plášti. Pece série H sa vyrábajú s páskovými alebo drôtenými ohrievačmi uloženými na keramických poličkách. Pece typu OKB-194 (obr. 4 a obr. 5) sú vyrobené v dvoch komorách, horná komora je vybavená karborundovými ohrievačmi a spodná nichrómovými.
Obrázok 4 - Komorová elektrická pec typ OKB-194: 1 - mechanizmus na zdvíhanie dvierok hornej komory; 2 - valčeky dverí spodnej komory; 3 - tepelná izolácia; 4 - horná komora; 5 - spodná komora; 6 - ohnisková doska
Technické (pasové) údaje elektrickej pece, kontrolného a monitorovacieho zariadenia a elektrických meracích prístrojov sa zaznamenávajú podľa tabuľkových údajov zariadenia. V budúcnosti by sa tieto informácie mali premietnuť do správy o vykonaných prácach. Technické údaje zariadenia sú ich nominálne parametre, preto je počas prevádzky potrebné dodržiavať prúd, napätie, výkon a ďalšie hodnoty uvedené v pasoch.
Pri oboznamovaní sa s elektrickou odporovou pecou by ste mali venovať pozornosť jej konštrukcii a usporiadaniu vykurovacích telies a ich umiestneniu v peci. Odporúča sa merať odpor vykurovacích telies testerom. Urobte si náčrt zavádzacieho zariadenia, venujte pozornosť jeho jednotke. Zistite, aké teplotné režimy je potrebné dodržiavať pri tepelnom spracovaní východiskového materiálu (dielov) počas experimentu. Uveďte, ktoré prístroje budú merať teplotu ohrevu, kde budú nainštalované termočlánky. Schéma elektrického zapojenia elektrickej pece a meracích prístrojov pre experiment je na obr. 5.
Žiaci musia vybrať elektrické meracie prístroje, ovládacie zariadenia, vykonať potrebné zapojenia a pred uvedením obvodu do prevádzky odovzdať vedúcemu triedy na overenie.
Obrázok 5 - Schematická elektrická schéma pece typu OKB-194: a - elektrická schéma; b - schéma činnosti univerzálneho spínača UP
Po skontrolovaní schémy elektrického zapojenia a získaní povolenia a pokynov od vedúceho vyučovacej hodiny na tepelné spracovanie východiskového materiálu žiaci vložia východiskový materiál (diely) do nakladacieho zariadenia a zapnú pec. Počas experimentu je potrebné pozorne sledovať údaje elektrických a teplomeracích prístrojov (ampérmeter, voltmeter, wattmeter, sekundárny termočlánkový prístroj) a v pravidelných intervaloch zaznamenávať ich hodnoty. Údaje pozorovaní a následných výpočtov zadajte do tabuľky 1. Pri dosiahnutí limitnej teploty (podľa úlohy) a prítomnosti regulátora dôjde k regulácii teploty. Je potrebné sledovať, ako regulátor pracuje a všímať si čas výpadku prúdu. Na konci experimentu určite spotrebu energie a účinník inštalácie.
Spotreba ALE elektrická energia je určená odčítaním merača a v prípade, že v okruhu chýba, môžete použiť hodnoty výkonu R(podľa wattmetra) a trvanie t Tvorba:
A = Pt.(1)
Inštalačný účinník:
cosφ = Р/( UI).(2)
Tabuľka 1 - Experimentálne údaje
Protokol o vykonaní práce sa vyhotovuje vo forme uvedenej v prílohe č. 1. Protokol musí obsahovať pasové údaje strojného aparátu a meracích prístrojov, stručne opísať konštrukciu elektrickej odporovej pece, spôsob tepelného spracovania východiskového materiálu, spôsob tepelného spracovania východiskového materiálu, technickú spôsobilosť a technickú spôsobilosť. poskytnite náčrt nakladacieho zariadenia, umiestnenie elektrických vykurovacích telies, schému elektrického zapojenia zariadení a prístrojov použitých v experimente. Zaznamenajte si výsledky pozorovaní a výpočtov. Popíšte, ako regulovať teplotné podmienky počas procesu tepelného spracovania. Odpovedzte na bezpečnostné otázky.
Existujú 2 zásadne odlišné prístupy k regulácii výkonu:
Plynulé riadenie, pri ktorom je možné do pece zaviesť akýkoľvek požadovaný výkon.
Krokové riadenie, pri ktorom je možné do pece zaviesť iba diskrétny rozsah výkonov.
Prvý vyžaduje plynulú reguláciu napätia na ohrievačoch. Takáto regulácia môže byť vykonaná pomocou akéhokoľvek druhu výkonových zosilňovačov (generátor, tyristorový usmerňovač, EMU). V praxi najbežnejší tyristor napájacie zdroje postavené podľa schémy TRN. Takéto regulátory sú založené na vlastnostiach tyristora zahrnutého v obvode. striedavý prúd v sérii s odporom ohrievača. Tyristorové zdroje obsahujú antiparalelne zapojené tyristory vybavené SIFU.
Riadiaci uhol a tým aj efektívne napätie na záťaži závisí od externého napätia privádzaného do zdroja. Aby sa znížil vplyv výpadku prúdu na tepelný režim pece, tyristorové napájacie zdroje zvyčajne poskytujú negatívnu spätnú väzbu na výstupné napätie. Tyristorové zdroje majú vysokú účinnosť (až 98%). Účiník závisí od hĺbky regulácie výstupného napätia lineárne, pri uhle menšom ako 0 - k M =1, pri = 180 k M = 0. Účiník je určený nielen fázovým posunom napätia a prvej harmonickej prúdu, ale aj o veľkosť vyšších harmonických prúdu . Preto použitie kompenzačných kondenzátorov neumožňuje žiadne výrazné zvýšenie M.
Pri druhom spôsobe sa napätie na ohrievači mení zapínaním napájacích obvodov pece. Zvyčajne existujú 2-3 kroky možného napätia a výkonu ohrievača. Najbežnejší dvojpolohový spôsob krokového riadenia. Podľa tejto metódy je pec buď pripojená k sieti pri svojom menovitom výkone, alebo úplne odpojená od siete. Požadovaná hodnota priemerného výkonu zavedeného do pece je zabezpečená zmenou pomeru času zapnutých a vypnutých stavov.
Priemerná teplota v peci zodpovedá priemernému výkonu zavedenému do pece. Náhle zmeny okamžitého výkonu vedú k teplotným výkyvom okolo priemernej úrovne. Veľkosť týchto výkyvov je určená veľkosťou odchýlok R MGNOV od priemernej hodnoty a veľkosťou tepelnej zotrvačnosti pece. Vo väčšine všeobecných priemyselných pecí je tepelná zotrvačnosť taká veľká, že kolísanie teploty v dôsledku krokového riadenia nepresiahne požadovanú hodnotu presnosti udržiavania teploty. Konštrukčne môže byť ovládanie zapnuté-vypnuté buď pomocou bežného stýkača alebo tyristorového spínača. Tyristorový spínač obsahuje antiparalelný s 
pripojené tyristory pracujúce s =0.
V prípade, že je nízkoprúdový kontakt S otvorený, riadiaci obvod VS1, VS2 je prerušený, tyristory sú zatvorené, napätie na záťaži je nulové. V prípade, že je S uzavretý, vytvoria sa obvody pre tok riadiacich prúdov. Katóda je kladná, anóda VS1 záporná. V tomto prípade riadiaci prúd preteká obvodovou katódou VS1 - VD1 - R - S - riadiacou elektródou VS2 - katódou VS2. VS2 sa zapne a vedie elektrinu počas celého polcyklu. V ďalšom polcykle sa VS1 zapne rovnakým spôsobom.
OD 
existujú aj trojfázové spínače. Používajú dva bloky antiparalelne zapojených tyristorov. Výkonové obvody takýchto spínačov sú zostavené podľa nasledujúcej schémy:
Existujú úpravy tyristorových spínačov, ktoré vôbec nepoužívajú kontakty.
Tyristorové spínače sú spoľahlivejšie ako stykače, sú vo svojej podstate odolné voči výbuchu, sú tiché v prevádzke a sú o niečo drahšie.
Kroková regulácia má účinnosť blízku 1, až M 1.
V. Krylov
V súčasnosti sú tyristory široko používané v rôznych zariadeniach na automatické riadenie, signalizáciu a riadenie. Tyristor je riadená polovodičová dióda, ktorá má dva stabilné stavy: otvorený, keď je priamy odpor tyristora veľmi malý a prúd v jeho obvode závisí najmä od napätia zdroja a odporu záťaže, a zatvorený, keď jeho priamy odpor je vysoký a prúd je niekoľko miliampérov.
Na obr. 1 je znázornená typická prúdovo-napäťová charakteristika tyristora, kde sekcia OA zodpovedá uzavretému stavu tyristora a sekcia BV zodpovedá otvorenému stavu.
Pri záporných napätiach sa tyristor správa ako bežná dióda (oddiel OD).
Ak zvýšite dopredné napätie na uzavretom tyristore s prúdom riadiacej elektródy rovným nule, potom pri dosiahnutí hodnoty Uon sa tyristor otvorí. Takéto spínanie tyristora sa nazýva anódové spínanie. Činnosť tyristora je podobná činnosti neriadenej polovodičovej štvorvrstvovej diódy - dinistora.
Prítomnosť riadiacej elektródy umožňuje otvoriť tyristor pri anódovom napätí menšom ako Uincl. Na to je potrebné prejsť riadiacim prúdom Iу pozdĺž obvodu riadiacej elektródy - katódy. Prúdovo-napäťová charakteristika tyristora pre tento prípad je znázornená na obr. 1 bodkovaná čiara. Minimálny riadiaci prúd potrebný na otvorenie tyristora sa nazýva rektifikačný prúd Iref. Usmerňovací prúd silne závisí od teploty. V referenčných knihách sa uvádza pri určitom anódovom napätí. Ak počas doby riadiaceho prúdu anódový prúd prekročí hodnotu vypínacieho prúdu Ioff, tak tyristor zostane otvorený aj po skončení riadiaceho prúdu; ak sa tak nestane, potom sa tyristor opäť uzavrie.
Pri zápornom napätí na anóde tyristora nie je povolené napájanie jeho riadiacej elektródy. Je tiež neprijateľné mať na riadiacej elektróde záporné (vzhľadom na katódu) napätie, pri ktorom spätný prúd riadiacej elektródy presahuje niekoľko miliampérov.
Otvorený tyristor je možné previesť na uzavretý stav iba znížením svojho anódového prúdu na hodnotu menšiu ako Ioff. V zariadeniach na jednosmerný prúd sa na tento účel používajú špeciálne zhášacie obvody a v obvode striedavého prúdu sa tyristor sám zatvára v okamihu, keď hodnota anódového prúdu prechádza cez nulu.
To je dôvod najrozšírenejšieho používania tyristorov v striedavých obvodoch. Všetky nižšie uvedené obvody sú relevantné iba pre tyristory zahrnuté v obvode striedavého prúdu.
Na zabezpečenie spoľahlivej prevádzky tyristora musí zdroj riadiaceho napätia spĺňať určité požiadavky. Na obr. 2 znázorňuje ekvivalentný obvod zdroja riadiaceho napätia a obr. 3 je graf, pomocou ktorého môžete určiť požiadavky na jeho líniu zaťaženia.
Na grafe čiary A a B obmedzujú zónu rozptylu vstupných prúdovo-napäťových charakteristík tyristora, čo sú závislosti napätia na riadiacej elektróde Uy od prúdu tejto elektródy Iy s otvoreným anódovým obvodom. Priama B určuje minimálne napätie Uу, pri ktorom sa ktorýkoľvek tyristor tohto typu otvára pri minimálnej teplote. Priama čiara G určuje minimálny prúd Iy, dostatočný na otvorenie akéhokoľvek tyristora tohto typu pri minimálnej teplote. Každý špecifický tyristor sa otvára v určitom bode svojej vstupnej charakteristiky. Vytieňovaná oblasť je ťažiskom takýchto bodov pre všetky tyristory daného typu, ktoré vyhovujú technické údaje. Priamky D a E určujú maximálne prípustné hodnoty napätia Uy a prúdu Iy a krivka K - maximálna prípustná hodnota výkonu rozptýleného na riadiacej elektróde. Zaťažovacia čiara L zdroja riadiaceho signálu je vedená cez body, ktoré určujú napätie naprázdno zdroja Eu.xx a jeho skratový prúd Iу.kz = Eu.хх/Rintr, kde Rintr je vnútorný odpor Zdroj. Bod S priesečníka čiary zaťaženia L so vstupnou charakteristikou (krivka M) zvoleného tyristora musí byť v oblasti medzi zatienenou plochou a čiarami A, D, K, E a B.
Táto oblasť sa nazýva preferovaná oblasť otvorenia. Vodorovná čiara H určuje najvyššie napätie na riadiacom prechode, pri ktorom sa pri maximálnej dovolenej teplote neotvorí ani jeden tyristor tohto typu. Táto hodnota, ktorá predstavuje desatiny voltu, teda určuje maximálnu prípustnú amplitúdu rušivého napätia v obvode riadenia tyristora.
Po otvorení tyristora nemá riadiaci obvod vplyv na jeho stav, preto je možné tyristor ovládať impulzmi s krátkym trvaním (desiatky alebo stovky mikrosekúnd), čo umožňuje zjednodušiť riadiace obvody a znížiť stratový výkon na kontrolná elektróda. Trvanie impulzu by však malo byť dostatočné na to, aby anódový prúd stúpol na hodnotu presahujúcu vypínací prúd Ioff pre rôzne typy záťaže a prevádzkové režimy tyristorov.
Relatívna jednoduchosť riadiacich zariadení pre činnosť tyristorov v striedavých obvodoch viedla k širokému použitiu týchto zariadení ako riadiacich prvkov v zariadeniach na stabilizáciu a reguláciu napätia. V tomto prípade je priemerná hodnota napätia na záťaži regulovaná zmenou momentu napájania (to znamená fázy) riadiaceho signálu vzhľadom na začiatok polcyklu napájacieho napätia. Frekvencia riadiacich impulzov v takýchto obvodoch musí byť synchronizovaná s frekvenciou siete.
Existuje niekoľko spôsobov riadenia tyristorov, z ktorých je potrebné poznamenať amplitúdu, fázu a fázový impulz.
Metóda riadenia amplitúdy spočíva v tom, že na riadiacu elektródu tyristora sa privádza kladné napätie, ktorého veľkosť sa mení. Tyristor sa otvorí v momente, keď toto napätie postačuje na to, aby cez riadiaci uzol pretekal usmerňovací prúd. Zmenou napätia na riadiacej elektróde môžete zmeniť okamih otvorenia tyristora. Najjednoduchší obvod regulátor napätia, postavený na tomto princípe, je znázornený na obr. štyri.
Ako riadiace napätie sa tu používa časť anódového napätia tyristora, teda napätie kladného polcyklu siete. Rezistor R2 mení otvárací moment tyristora D1 a následne aj priemernú hodnotu napätia na záťaži. Pri úplne zasunutom rezistore R2 je napätie na záťaži minimálne. Dióda D2 chráni riadiaci prechod tyristora pred spätným napätím. Je potrebné poznamenať, že riadiaci obvod nie je pripojený priamo k sieti, ale paralelne s tyristorom. Deje sa to tak, že otvorený tyristor prepína riadiaci obvod, čím zabraňuje zbytočnému rozptylu energie na jeho prvkoch.
Hlavnými nevýhodami uvažovaného zariadenia sú silná závislosť záťažového napätia od teploty a potreba individuálneho výberu rezistorov pre každú inštanciu tyristora. Prvá je vysvetlená teplotnou závislosťou usmerňovacieho prúdu tyristorov, druhá - veľkým rozšírením ich vstupných charakteristík. Okrem toho je zariadenie schopné riadiť otvárací moment tyristora iba počas prvej polovice kladného polcyklu sieťového napätia.
Riadiace zariadenie, ktorého schéma je znázornená na obr. 5, umožňuje rozšírenie rozsahu ovládania na 180° a zahrnutie tyristora do uhlopriečky usmerňovacieho mostíka - na reguláciu napätia pri záťaži počas oboch polcyklov sieťového napätia.
Kondenzátor C1 sa cez odpory R1 a R2 nabíja na napätie, pri ktorom cez riadiaci prechod tyristora preteká prúd rovný usmerňovaciemu prúdu. V tomto prípade sa tyristor otvorí a prechádza prúdom cez záťaž. V dôsledku prítomnosti kondenzátora je napätie na záťaži menej závislé od kolísania teploty, ale napriek tomu sú tomuto zariadeniu vlastné rovnaké nevýhody.
Pri fázovom spôsobe riadenia tyristorov pomocou fázového posuvného mostíka sa mení fáza riadiaceho napätia vzhľadom na napätie na anóde tyristora. Na obr. 6 je znázornená schéma polvlnového regulátora napätia, v ktorom je zmena napätia pri záťaži vykonávaná odporom R2, zahrnutým v jednom z ramien mostíka, z ktorého uhlopriečky je napätie privádzané do riadenia. prechod tyristora.
Napätie na každej polovici vinutia III ovládača by malo byť približne 10 V. Zvyšné parametre transformátora sú určené napätím a výkonom záťaže. Hlavnou nevýhodou spôsobu fázového riadenia je nízka strmosť riadiaceho napätia, vďaka čomu je stabilita otváracieho momentu tyristora nízka.
Fázovo-pulzný spôsob ovládania tyristorov sa od predchádzajúceho líši tým, že na zvýšenie presnosti a stability momentu otvorenia tyristora sa na jeho riadiacu elektródu privádza napäťový impulz so strmým čelom. Táto metóda je v súčasnosti najpoužívanejšia. Schémy, ktoré implementujú túto metódu, sú veľmi rôznorodé.
Na obr. 7 je znázornená schéma jedného z najjednoduchších zariadení využívajúcich metódu fázovo-pulzného tyristorového riadenia.
Pri kladnom napätí na anóde tyristora D3 sa kondenzátor C1 nabíja cez diódu D1 a premenlivý odpor R1. Keď napätie na kondenzátore dosiahne zapínacie napätie dinistora D2, otvorí sa a kondenzátor sa vybije cez riadiaci prechod tyristora. Tento impulz vybíjacieho prúdu otvorí tyristor D3 a prúd začne pretekať cez záťaž. Zmenou nabíjacieho prúdu kondenzátora odporom R1 je možné zmeniť moment otvorenia tyristora v rámci polcyklu sieťového napätia. Rezistor R2 eliminuje samovoľné otváranie tyristora D3 v dôsledku zvodových prúdov pri zvýšených teplotách. Podľa technických podmienok, keď tyristory pracujú v pohotovostnom režime, je inštalácia tohto odporu povinná. Znázornené na obr. 7, obvod nenašiel široké uplatnenie z dôvodu veľkého rozptylu zapínacieho napätia dinistorov, dosahujúceho až 200% a výraznej závislosti zapínacieho napätia od teploty.
Jednou z odrôd fázovo-impulznej metódy riadenia tyristorov je takzvané vertikálne riadenie, ktoré je v súčasnosti najpoužívanejšie. Spočíva v tom, že na vstupe generátora impulzov sa porovnáva (obr. 8) konštantné napätie (1) a napätie, ktoré sa mení vo veľkosti (2). V momente rovnosti týchto napätí je generovaný tyristorový riadiaci impulz (3). Napätie s premenlivou veľkosťou môže mať sínusový, trojuholníkový alebo pílovitý tvar (ako je znázornené na obr. 8).
Ako je zrejmé z obrázku, zmena okamihu výskytu riadiaceho impulzu, to znamená posunutie jeho fázy, sa môže uskutočniť tromi rôznymi spôsobmi:
zmena rýchlosti nárastu striedavého napätia (2a),
zmenou jeho počiatočnej úrovne (2b) a
zmenou hodnoty konštantného napätia (1a).
Na obr. 9 znázornený štrukturálna schéma zariadenie, ktoré implementuje metódu vertikálneho tyristorového riadenia.
Ako každé iné zariadenie na riadenie fázových impulzov sa skladá zo zariadenia na fázový posun FSU a generátora impulzov PG. Zariadenie na fázový posun zase obsahuje vstupné zariadenie VU, ktoré vníma riadiace napätie Uy, generátor striedavého (veľkosti) napätia GPN a porovnávacie zariadenie SU. Ako pomenované prvky možno použiť širokú škálu zariadení.
Na obr. 10 je daný schému zapojenia tyristorové riadiace zariadenia (D5) zapojené do série s mostíkovým usmerňovačom (D1 - D4).
Zariadenie pozostáva z generátora pílovitého napätia s tranzistorovým spínačom (T1), Schmittovým spúšťačom (T2, T3) a výstupným kľúčovým zosilňovačom (T4). Pôsobením napätia odstráneného zo synchronizačného vinutia III transformátora Tr1 je tranzistor T1 uzavretý. V tomto prípade sa kondenzátor C1 nabíja cez odpory R3 a R4. Napätie na kondenzátore sa zvyšuje po exponenciálnej krivke, ktorej počiatočný úsek možno s určitou aproximáciou považovať za priamočiary (2, pozri obr. 8).
V tomto prípade je tranzistor T2 zatvorený a T3 otvorený. Emitorový prúd tranzistora T3 vytvára úbytok napätia na rezistore R6, ktorý určuje úroveň činnosti Schmittovej spúšte (1 na obr. 8). Súčet napätí na rezistore R6 a otvorenom tranzistore T3 je menší ako napätie na zenerovej dióde D10, takže tranzistor T4 je uzavretý. Keď napätie na kondenzátore C1 dosiahne Schmittovu spúšťaciu úroveň, tranzistor T2 sa otvorí a T3 sa zatvorí. Súčasne sa otvorí tranzistor T4 a na rezistore R10 sa objaví napäťový impulz, ktorý otvorí tyristor D5 (impulz 3 na obr. 8). Na konci každého polcyklu sieťového napätia sa tranzistor T1 otvorí prúdom pretekajúcim cez odpor R2. Kondenzátor C1 sa vybije takmer na nulu a riadiace zariadenie sa vráti do pôvodného stavu. Tyristor sa uzavrie v momente, keď amplitúda anódového prúdu prejde nulou. So začiatkom ďalšieho polcyklu sa cyklus činnosti zariadenia opakuje.
Zmenou odporu odporu R3 je možné zmeniť nabíjací prúd kondenzátora C1, to znamená rýchlosť nárastu napätia na ňom, a tým aj moment objavenia sa otváracieho tyristorového impulzu. Nahradením odporu R3 tranzistorom môžete automaticky upraviť napätie na záťaži. Toto zariadenie teda využíva prvý z vyššie uvedených spôsobov posunutia fázy riadiacich impulzov.
Mierna zmena v obvode znázornenom na obr. 11 umožňuje získať reguláciu podľa druhého spôsobu. V tomto prípade sa kondenzátor C1 nabíja cez konštantný odpor R4 a rýchlosť nárastu pílovitého napätia je vo všetkých prípadoch rovnaká. Ale pri otvorení tranzistora T1 sa kondenzátor nevybije na nulu, ako v predchádzajúcom zariadení, ale na riadiace napätie Uy.
V dôsledku toho sa nabíjanie kondenzátora v nasledujúcom cykle začne od tejto úrovne. Zmenou napätia Uy sa reguluje moment otvorenia tyristora. Dióda D11 odpojí zdroj riadiaceho napätia od kondenzátora počas jeho nabíjania.
Koncový stupeň na tranzistore T4 poskytuje potrebný prúdový zisk. Pomocou impulzného transformátora ako záťaže môžete súčasne ovládať niekoľko tyristorov.
V uvažovaných regulačných zariadeniach je napätie privedené na riadiaci prechod tyristora po dobu od okamihu rovnosti konštantného a pílovitého napätia do konca polperiódy sieťového napätia, t.j. okamihom vybitia kondenzátora C1. Trvanie riadiaceho impulzu môžete skrátiť zapnutím diferenciačného obvodu na vstupe prúdového zosilňovača, vyrobeného na tranzistore T4 (pozri obr. 10).
Jedným z variantov metódy vertikálneho tyristorového riadenia je metóda počet-impulz. Jeho zvláštnosť spočíva v tom, že na riadiacu elektródu tyristora nie je privedený jeden impulz, ale balík krátkych impulzov. Trvanie impulzu sa rovná trvaniu riadiaceho impulzu znázorneného na obr. osem.
Frekvencia opakovania impulzov v dávke je určená parametrami generátora impulzov. Metóda početno-pulznej regulácie zaisťuje spoľahlivé otvorenie tyristora pre akýkoľvek typ záťaže a umožňuje znížiť stratový výkon na riadiacom prechode tyristora. Okrem toho, ak je na výstupe zariadenia zahrnutý impulzný transformátor, je možné zmenšiť jeho veľkosť a zjednodušiť dizajn.
Na obr. 12 znázorňuje schému riadiaceho zariadenia využívajúce metódu počet-impulz.
Ako porovnávací uzol a generátor impulzov je tu použitý vyvážený diódovo-regeneračný komparátor pozostávajúci z porovnávacieho obvodu na diódach D10, D11 a samotného blokovacieho generátora, zostaveného na tranzistore T2. Diódy D10, D11 riadia spätnoväzbový obvod blokovacieho oscilátora.
Rovnako ako v predchádzajúcich prípadoch, keď je tranzistor T1 zatvorený, nabíjanie kondenzátora C1 začína cez odpor R3. Dióda D11 je otvorená napätím Uy a dióda D10 je zatvorená. Vinutie IIa s kladnou spätnou väzbou blokovacieho oscilátora je teda otvorené a vinutie IIb so zápornou spätnou väzbou je uzavreté a tranzistor T2 je uzavretý. Keď napätie na kondenzátore C1 dosiahne napätie Uy, dióda D11 sa zatvorí a D10 sa otvorí. Obvod pozitívnej spätnej väzby sa uzavrie a blokovací generátor začne generovať impulzy, ktoré budú privádzané z vinutia I transformátora Tr2 do riadiaceho prechodu tyristora. Generovanie impulzov bude pokračovať až do konca polcyklu sieťového napätia, kedy sa tranzistor T1 otvorí a kondenzátor C1 sa vybije. Dióda D10 sa potom zatvorí a D11 sa otvorí, proces blokovania sa zastaví a zariadenie sa vráti do pôvodného stavu. Zmenou riadiaceho napätia Uy je možné zmeniť moment začiatku generovania vzhľadom na začiatok polcyklu a následne aj moment otvorenia tyristora. V tomto prípade sa teda používa tretí spôsob posunutia fázy riadiacich impulzov.
Použitie vyváženého obvodu porovnávacieho uzla zabezpečuje teplotnú stabilitu jeho prevádzky. Silikónové diódy D10 a D11 s nízkym spätným prúdom umožňujú dostať sa vysoko vstupná impedancia porovnávacieho uzla (asi 1 Mohm). Preto nemá prakticky žiadny vplyv na proces nabíjania kondenzátora C1. Citlivosť uzla je veľmi vysoká a dosahuje niekoľko milivoltov. Rezistory R6, R8, R9 a kondenzátor C3 určujú teplotnú stabilitu pracovného bodu tranzistora T2. Rezistor R7 slúži na obmedzenie kolektorového prúdu tohto tranzistora a zlepšenie tvaru impulzu blokovacieho oscilátora. Dióda D13 obmedzuje rázové napätie na kolektorovom vinutí III transformátora Tr2, ktoré vzniká pri zatvorenom tranzistore. Impulzný transformátor Tr2 môže byť vyrobený na 1000NN feritovom prstenci veľkosti K15X6X4,5. Vinutia I a III obsahujú každé 75 a vinutia II a a II b - 50 závitov drôtu PEV-2 po 0,1.
Nevýhodou tohto ovládacieho zariadenia je relatívne nízka frekvencia opakovanie impulzu (približne 2 kHz s trvaním impulzu 15 mikrosekúnd). Frekvenciu môžete zvýšiť napríklad znížením odporu rezistora R4, cez ktorý sa vybíja kondenzátor C2, no zároveň je teplotná stabilita citlivosti porovnávacieho uzla o niečo horšia.
Metódu početno-pulzného tyristorového riadenia možno použiť aj v zariadeniach diskutovaných vyššie (obr. 10 a 11), pretože pri určitom výbere menovitých hodnôt prvkov (C1, R4-R10, pozri obr. 10) sa Schmitt spustí, keď napätie na kondenzátore C1 presahuje úroveň spúšťača, negeneruje jediný impulz, ale sekvenciu impulzov. Ich trvanie a frekvencia opakovania sú určené parametrami a režimom spúšťania. Takéto zariadenie sa nazývalo „multivibrátor spúšťaný výbojom“.
Na záver je potrebné poznamenať, že pomocou unijunkčných tranzistorov je možné dosiahnuť výrazné zjednodušenie obvodu tyristorových riadiacich zariadení pri zachovaní vysokej kvality indikátorov.
