Примечательная особенность тиристоров состоит в том, что тиристоры открываются при переходе напряжения через ноль. Благодаря тому что включение/выключение подачи тока нагрузки происходит в момент минимального значения напряжения, в сеть попадает минимум помех.
Как показано на рисунке открытие тиристора происходит когда синусоида переменного тока пересекает нулевое значение, это и называется коммутацией «переключение через нуль» или «нулевое переключение»
Коммутация «вкл/выкл», типа контактор. Режим «Переключение через нуль»-ZC (Zero Crossing)
Тиристорный регулятор может использоваться для режима вкл/выкл в качестве контактора или реле. Как правило, тиристорный регулятор мощности используется в роли контактора или реле только для нагрузок с большим значением силы тока (обычно от 75-100А). Если на вход тиристорного контроллера подавать управляющий логический сигнал ВКЛ/ВЫКЛ, то регулятор будет функционировать как мощное контакторное механическое реле или твердотельное реле. При этом тиристор, благодаря «переключение через нуль» не будет вносить помехи в сеть.
Использование ТРМ в качестве контактора для управления нагревателями не рекомендуется при редком коммутировать (переключении). Тем не менее, использование регулятора температуры совместно с регулятором мощности при коммутации чаще 4 секунд является эффективной системой управления тепловой энергией.
Метод пропускания числа периодов, числоимпульсное управление
Это режимы работы регулятора мощности, при котором тиристор пропускает на нагреватель короткий «пакет» полупериодов тока. Этот «пакет тока» обеспечивает нагреватель необходимым количеством энергии для поддержания точно заданной температуры. Температурный режим, как правило, задается регулятором температуры.
Как часто эти пакеты тока буду пропускаться на нагрузку зависит от длительности цикла управления регулятора мощности. Под длительностью цикла управления понимается промежуток времени, или количество периодов питающего напряжения, в течении которого тиристорный контроллер должен подать на нагрузку точно заданный процент мощности, ни больше и не меньше.
| Например, длительность цикла управления составляет 1 секунда, что составляет 50 периодов (циклов) питающего напряжения при частоте переменного тока 50 Гц. Тогда, регулятор мощности при получении команды удерживать 50% мощности будет 25 периодов питающего напряжения пропускать (50% длительности цикла), а подачу последующих 25 периодов напряжения на нагрузку ограничить. Соответственно, при получении команды удерживать 10% мощности тиристор будет открыт 5 периодов питающего напряжения (10% времени цикла), оставшиеся 45 периодов питающего напряжения тиристор будет закрыт. |
Длительность цикла управления тиристорного регулятора программируется производителем, но некоторые модели регуляторов позволяют пользователю самому изменять данный параметр в процессе эксплуатации.
Различают два основных режима работы тиристорного контроллера — с фиксированной длительностью цикла и переменной длительностью цикла.
С фиксированным циклом управления. Режим «Пакетная коммутация» — BF (Bust Firing)
В данном режиме управления «время цикла» на контроллере мощности SCR статично или фиксировано, не регулируется. То есть в течение этого периода времени (1 секунда, например), регулятор мощности будет включать и отключать подачу тока, чтобы обеспечить правильную процент мощности на нагреватель.
| Пример 1: Регулятор температуры с аналоговым выходом (4-20мА) командует регулятору мощности для фиксирования выходной мощности на уровне 40%. Тиристорный регулятор мощности имеет фиксированный временной цикл равный 1 секунде. Частота переменного напряжения 60Гц, т. е. 60 циклов в секунду. Как тиристорный регулятор обеспечит нагреватель 40% мощности? Получив команду «40%», регулятор мощности производит расчет какое количество циклов сетевого напряжения содержится в 40% одной секунды. Т.е. первые 24 цикла (40% из 60циклов) регулятор будет пропускать энергию ТЭНу, а для последующих 36 циклов регулятор подучу энергии ограничит.
|
| Пример 2: Если регулятор температуры ограничивает потребляемую мощность нагрузки на уровне 90%, сколько циклов регулятор мощности будет пропускать энергию при временном цикле равным 1секунде? Если частота сетевого переменного напряжения 50Гц (50 циклов в секунду), то для обеспечения 90% мощности регулятору мощности достаточно проводить первые 45 периодов переменного напряжения (90% от 60циклов), оставшиеся 5 периодов (10% от 60 циклов) подача энергии будет прекращена.
|
С переменной длительностью цикла управления. Режим «Одиночный период» — SC (Single Cycle)
Тиристорный регулятор мощности в режиме Single Cycle изменяет продолжительность цикла управления в соответствии с поступившей компандой по уровню мощности. Тиристор в режиме управления с переменным циклом коммутапции использует наименьшее возможное количество периодов переменного сетевого напряжения для обеспечения нагревателю точно заданного процента мощности, ни болье и ни меньше.
| Пример: Регулятор мощности получает команду от температурного контроллера с требованием ограничить выходную мощность на уровне 40%. Регулятор мощности настроен на режим коммутации Single Cycle, т.е. с переменным временным циклом. Частота переменного сетевого напряжения 60Гц (т.е.60 циклов). Как регулятор мощности настроенный на режим управления с переменным временным циклом будет обеспечивать нагреватель 40% мощности на протяжении 1 секунды? Во-первых, управляющая электроника регулятора мощности рассчитывает наименьшее возможное количество периодов сетевого напряжения для снабжения нагрузки заданного процента мощности. Для 40% мощности первые два периода из пяти (2/5=40%) регулятор будет пропускать энергию(т.е. тиристор открыт), оставшиеся 3 цикла из пяти регулятор ограничит подачу мощности (тиристор закрыт).
|
Для сравнения, в режиме «Пакетная коммутация» с длительностью цикла управления равном 1 секунде — тиристор открыт 24 периода напряжения, а 36 периодов тиристор находится в закрытом состоянии.
| Пример: Если регулятор температуры ограничивает потребляемую мощность нагрузки на уровне 90%, сколько периодов переменного напряжения регулятор мощности будет пропускать энергию в случае с не фиксированным временным циклом? Теперь тиристор будет открыт каждые 9 из 10 периодов переменного тока (9/10=90%).
|
Именно высокая частота переключения делает режим SC более предпочтительным, т. к. высокая частота переключения (почти постоянный ток нагрузки) гарантирует минимальные колебания температуры нагревателя и обеспечивает продолжительную работу резистивного элемента.
Механические реле (контакторы), имея механическое соединение, не могут выдерживать столь быстрые переключения режима вкл/выкл, что приводит к более частому выходу из строя нагревателя.
Фазовый метод управления. Режим «фазовой коммутации» — PA (Phase Angle)
При данном режиме управления ограничения тока происходят каждый полупериод синусоиды переменного тока. Т.е. временной цикл управления будет равен половите периода переменного сетевого напряжения. Это очень быстрая коммутация!
Режим управления в пределах одного полупериода является очень точным пропорциональным регулированием электрического тока.
Если тиристор открывается в начале полупериода, то выходная мощность будет высокая. Почему? Если бОльшая часть тока пропускается тиристором, то нагреватель получает много энергии. Если тиристор открывается в конце полупериода, то лишь небольшая часть энергии пропускается тиристором, выходная мощность будет небольшая.
Наглядная иллюстрация примера ограничения выходной мощности на уровне 40% и 90% в режиме Фазовой коммутации (PA-Phase Angle).
Точка открытия тиристора плавает в пределах полупериода синусоиды переменного тока и ее положение зависит от уровня мощности подаваемой нагрузке.
Фазовый режим коммутации позволяет управлять мощностью нагрузки практически непрерывно! Таким образом, резистивный элемент нагревателя не испытывает температурных изменений и срок службы ТЭНа будет максимальный.
Но как вы могли заметить, в режиме фазового управления углом открывания тиристора переключения вкл/выкл происходят не в момент пересечения синусоидой напряжения нуля, из-за этого регулятор мощности генерирует много электрических помех! Генерируемые помехи мешают стабильной работе других устройств, поэтому его применяют при трансформаторной связи, т. е. при подключении ТЭНа через трансформатор, и не рекомендуют применять для резистивной нагрузки со стабильным сопротивлением.
Это были основные, но не все режимы управления тиристорных регуляторов мощности. В зависимости от модели и производителя устройства имеют уникальные способы управления и поддержания мощности/тока/напряжения, режимы плавного пуска и отложенного старта,основанные на комбинации и чередовании метода пропускания числа периодов с фазовым управлением. Постараемся свести всё разнообразие методов управления в три дополнительных режима.
Фазовое управление с плавным пуском — «S+PA» (Soft start + Phase Angle)
Фазовое управление с плавным пуском используется для ТЭНов с переменным сопротивлением, т. е. нагревателей сопротивление которых резко меняется при нагревании/остывании. Также используется для индуктивных нагрузок. Плавный пуск в течении некоторого времени постепенно увеличивает подаваемую мощность на нагрузку, что снижает всплеск пускового тока.
| Например, включая тепловую систему (печь) температурный регулятор командует тиристорному контроллеру разогреть нагреватель, т.е. подавать всю энергию (мощность 100%) пока нагреватель не достигнет заданной температуры. Однако, высокий пусковой ток при подаче полного питания может повредить оборудование. Поэтому, в режиме «фазового управления с плавным пуском» тиристорный контроллер начинает с малого значения мощности и в течении некоторого времени постепенно увеличивает количество подаваемой энергии на нагреватель. Это позволяет избежать всплесков тока при пуске. Плавный пуск обычно длится от 5 до 10 секунд, в некоторых моделях регуляторов возможно ручное управление временем плавного пуска.
|
Другими словами, плавный пуск позволяет производить предварительный разогрев нагревательного элемента, для увеличения сопротивления до рабочего режима без перегрузок сети. «Мягкий» пуск не повреждает оборудование и увеличивает время наработки на отказ нагревателя. Например, для кварцевого вольфрамового нагревателя достаточно даже короткого плавного пуска, поскольку время разогрева очень короткое, всего несколько циклов переменного тока.
Пакетная коммутация с плавным пуском- «S+BF» (Soft start + Burst Firing)
Данный режим управления аналогичен предыдущему — Фазовому управлению с плавным пуском. При получении команды «разогреть нагреватель», тиристорный регулятор мощности начинает свою работу в режиме фазового управления и плавно повышает мощность с нуля до заданного уровня. Выйдя на заданный уровень мощности регулятор переходит в режим управления методом пропускания числа периодов, т. е. уже происходят «переключения через нуль» и питающая сеть не нагружается помехами.
Цель использования данного режима — минимизировать пусковой ток ТЭНа и в процессе работы не создавать электромагнитные помехи.
Пакетная коммутация с задержкой пуска — «DT+BF» (Delay Triggering + Burst Firing)
Во время первого включения тиристорный регулятор мощности плавно запускается с задержкой в пару секунд. Исходя из временной разницы между моментом прохождения нуля током и напряжением, управляющая электроника регулятора вычисляет оптимальный угол задержки и сохраняет его в памяти. Т.е. при первом запуске происходит автоматическая калибровка. При последующих запусках откалиброванный регулятор будет запускаться с ранее вычисленной задержкой.
Данный режим управления необходим для исключения скачков тока при включении и управлении активной (резистивной) нагрузки подключенной к вторичной обмотке трансформатора.