Коммутация нагрузки в цепях переменного тока

В настоящей статье рассматривается несколько простых вариантов управления нагрузкой, включенной в цепь переменного тока, и описываются их достоинства и недостатки.

При создании современных устройств автоматики часто возникает задача коммутации нагрузки, включенной в цепь переменного тока. Такой нагрузкой могут быть различные нагревательные и осветительные элементы, силовые пускатели, трансформаторы, двигатели и т. п.

Существует много относительно простых схем узлов, позволяющих выполнить эту задачу.

Все варианты можно разделить на ряд групп:

• использование электромагнитных реле;

• коммутация диагонали диодного моста;

• использование твердотельных реле;

• использование оптотиристоров и оптосимисторов;

• использование драйверов тиристоров и симисторов.

Узлы с использованием электромагнитных реле являются наиболее простыми, однако они имеют множество недостатков.

Наиболее серьезными из них являются значительное время срабатывания, что не позволяет использовать их в импульсных устройствах управления, дребезг контактов, их искрение и обгорание, относительно малый ресурс, малая распространенность малогабаритных реле, способных коммутировать большие токи, большое содержание драгоценных металлов и высокая стоимость мощных реле.

В настоящее время узлы с электромагнитными реле считаются морально устаревшими и используются редко, в основном в устройствах, в которых переключение происходит достаточно редко.

Узлы с коммутацией диагонали диодного моста находят достаточно широкое применение в радиолюбительской практике.

Для коммутации используются мощные высоковольтные транзисторы или тиристоры.

На рис. 1 показана типовая схема с коммутацией диодного моста с помощью транзистора, описанная, например, в [1, 2], а на рис. 2— с помощью тиристора [3, 4].

К недостаткам приведенных вариантов следует, в первую очередь, отнести гальваническую связь цепей управления с сетью.

При этом необходим изолированный источник питания и повышенные меры безопасности при наладке и эксплуатации.

Узел имеет большое число элементов, в том числе — пять мощных (четыре диода и транзистор или тиристор), которые при больших токах нагрузки имеют повышенную температуру и нуждаются в теплоотводе.

В последнее время за рубежом получили широкое распространение так называемые “твердотельные реле”, представляющие собой специализированный оптрон, светодиод которого открывает двунаправленный ключ, выполненный на полевых транзисторах.

Примером может служить серия приборов HSR312/412 фирмы Fairchild Semiconductors [5] (рис. 3).

Твердотельные реле, рассчитанные на малые токи (до 1 А), иногда применяются для коммутации диагонали диодного моста, вследствие чего несколько уменьшаются габариты и стоимость изделия (рис. 4).

Сильноточные твердотельные реле могут использоваться для коммутации нагрузки непосредственно (рис. 5), но имеют очень высокую стоимость (несколько десятков долларов) и достаточно дефицитны, поэтому в отечественной практике применяются редко.

Довольно часто и в промышленной, и в радиолюбительской отечественной аппаратуре встречаются узлы с использованием оптотиристоров (например, Т0125-10) и оптосимисторов (например, ТСО142-40).

Это довольно удобные в эксплуатации сильноточные приборы.

На рис. 6 показана типовая схема включения оптосимистора, а на рис. 7 — двух включенных встречно-параллельно оптотиристоров.

Описанные варианты имеют три серьезных недостатка.

Во-первых, эти полупроводниковые приборы имеют мощные светодиоды с большим током открывания (220. 300 мА).

Это заставляет разработчиков использовать мощные транзисторные ключи, между коллектором и плюсом источника питания (+ 5 В) которых включаются последовательно соединенные гасящий одноваттный резистор 15. 22 Ом и светодиод оптосимистора или два соединенных последовательно светодиода оптотиристоров.

Во-вторых, стоимость оптосимисторов довольно велика и составляет примерно $2,7. 3, стоимость всего узла на оптосимисторе может достигать $4. 5, а на двух оптотиристорах и того более.

В третьих, описываемые приборы недостаточно устойчиво открываются постоянным током при малых коммутируемых напряжениях или токах, что заставляет разработчиков для их включения использовать серию импульсов, усложняет схему и еще больше повышает стоимость.

Некоторые разработчики используют обычные симисторы, управляемые через динисторные или другие оптроны. Один из таких вариантов включения описан в [6] и показан на рис. 8.

Недостатками таких узлов являются необходимость тщательного подбора оптронов для обеспечения близких значений углов открывания симистора при разных полуволнах, а также значительное число элементов и относительно высокая стоимость.

Учитывая актуальность проблемы управления нагрузкой, включенной в сеть переменного тока, а также недостатки описанных выше методов, некоторые фирмы освоили выпуск малогабаритных и низкостоимостных микросхем драйверов симисторов и тиристоров.

Наиболее известным производителем таких микросхем является фирма Fairchild Semiconductors [5].

Она производит микросхемы драйверов двух типов: с произвольным моментом включения и с привязанным к прохождению напряжения через нуль.

Первый тип микросхем содержит светодиод и оптосимистор, второй — те же элементы и специальную цепь определения перехода переменного напряжения через нуль (ZCC — Zero-Cross Circuit).

Именно эта цепь и включает симистор в соответствующий момент.

Схема микросхемы драйвера с включением в произвольный момент показана на рис. 9, а микросхемы драйвера с включением в момент прохождения через нуль — на рис. 10.

Первый вариант микросхем предназначен для управления нагрузкой в устройствах с широтно-импульсной модуляцией.

При его использовании в момент включения мощных симисторов (тиристоров) возникают большие импульсные помехи , и требуется применение эффективных сетевых фильтров.

Второй вариант предназначен для использования в медленнодействующих малошумящих коммутаторах, в которых мощные симисторы (тиристоры) включаются при малых напряжениях, близких к нулю, и не создают больших помех.

Стоимость таких микросхем достаточно низкая, примерно $0,5.

Микросхемы драйверов, имеющие индивидуальные номера, оканчивающиеся на 1, 2 и 3, обеспечивают включение нагрузки при подаче на светодиод тока, соответственно равного 15, 10 и 5 мА.

Типовая схема включения драйвера для случая управления мощным симистором приведена на рис. 11, а для случая управления двумя встречно-параллельно включенными тиристорами — на рис. 12 [7].

Показанные на рисунках RC-цепочки, включенные параллельно симистору (тиристорам), рекомендуется использовать для улучшения их динамических характеристик.

Меньшее из диапазона сопротивление резистора соответствует резистивной нагрузке, а большее — индуктивной.

Стоимость такого узла обычно не превышает $2.

Хорошие динамические характеристики, низкие токи управления и малые габаритные размеры позволяют считать их наиболее целесообразными как для профессионального, так и для любительского применения.

Приведенные в данной статье схемы управления нагрузкой, включенной в цепь переменного тока, а также отмеченные достоинства и недостатки позволят читателю легче ориентироваться в всех возможных вариантах решения этой задачи и выбрать вариант, наиболее удовлетворяющий конкретным техническим требованиям с учетом доступности и стоимости элементов.

Основные параметры микросхем драйверов фирмы Fairchild Semiconductors приведены в табл. 1.

1. В. Янцев. Регулятор сетевого напряжения.— Моделист-конструктор, 1990, №4, с. 21.

2. С. Алексеев. Триггеры Шмитта без источника питания. — Схемотехника, 2002, № 12, с. 24.

3. Л. Бжевский. Светорегулятор с выдержкой времени.— Радио, 1989, № 10, с. 76.

4. С. Христофоров. Управление тринисторами и симисторами.— Схемотехника, 2001, № 12, с. 21—25.

5. /www.fairchildsemi.com/products/ info/Optocoupler_ssr.pdf.

6. С. Карелин. Модификация тринисторного регулятора мощности.— Радио, 1990, № 11, с. 47.

Источник

Переходные процессы в цепях переменного тока, законы коммутации, резонансные явления

Установившиеся режимы работы электрических цепей — режимы, в которых в цепи неизменные параметры: напряжение, ток, сопротивления и т.д. Если после наступления установившегося режима изменится напряжение, то изменится и ток. Переход от одного установившегося режима к другому происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени (рисунок 1).

Процессы, возникающие в цепях при переходе от одного установившегося режима к другому, называются переходными. Переходные процессы возникают при всяком внезапном изменении параметров цепи. Момент внезапного изменения режима работы электрической цепи принимают за начальный момент времени, относительно которого характеризуют состояние цепи и описывают сам переходный процесс.

Рис. 1. Режимы, возникающие в цепи переменного тока

Продолжительность переходного процесса может быть очень малой и исчисляться долями секунд, но токи и напряжения или другие параметры, характеризующие процесс, могут достигать больших значений. Переходные процессы вызываются коммутацией в цепи .

Коммутация — это замыкание или размыкание контактов коммутирующих аппаратов. При анализе переходных процессов пользуются двумя законами коммутации.

Первый закон коммутации : ток. протекающий через индуктивную катушку до коммутации равен току через ту же катушку непосредственно после коммутации. Т.е. ток в катушке индуктивности скачком измениться не может.

Второй закон коммутации : напряжение на емкостном элементе до коммутации равно напряжению на том же элементе после коммутации. Т.е. напряжение на емкостном элементе скачком измениться не может. Для последовательного соединения резистора, катушки индуктивности и конденсатора справедливы зависимости

В рассматриваемой цепи при равенстве реактивных сопротивлений Xl и X с имеет место так называемый резонанс напряжения . Так как эти сопротивления зависят от частоты, резонанс наступает при некоторой резонансной частоте ωо .

Общее сопротивление цепи в этом случае минимальное и чисто активное Z = R, а ток имеет максимальное значение. При ω ωо нагрузка имеет активно-емкостный характер, при ω > ωо — активно-индуктивный.

Следует отмстить, что резкому увеличению тока в цепи при резонансе соответствует возрастание Xl и X с. Эти напряжения могут стать значительно больше напряжения U приложенного к зажимам цепи, поэтому резонанс напряжений — явление, опасное для электроэнергетических установок.

Токи в ветвях параллельно соединенных элементов цепи имеют соответствующий фазовый сдвиг по отношению к общему напряжению цепи. Поэтому общий ток цепи равен сумме токов отдельных ее ветвей с учетом фазовых сдвигов и определяется по формуле

При равенстве реактивных сопротивлений Xl и X с , в цепи с параллельным соединением элементов возникает резонанс токов . Ток при резонансе достигает максимального значения, а коэффициент мощности максимального ( cos φ = 1 ). Значение резонансной частоты определяется но формуле

Токи в ветвях, содержащих L и С, при резонанс могут быть больше общего тока цепи. Индуктивный и емкостной токи противоположны по фазе, равны по значению и по отношению к источнику электроэнергии взаимно компенсируются. Т.е. в цепи происходит обмен энергией между индуктивной катушкой и конденсатором.

Режим, близкий к резонансу токов, широко используется для повышения коэффициента мощности потребителей электроэнергии. Это дает значительный экономический эффект из-за разгрузки проводов, снижения потерь, экономии материалов и электроэнергии.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник