Регулятор мощности тиристорный типа SCR3.

 

1. Введение

В настоящее время тиристорные регуляторы мощности для активной (напряжение и ток совпадают по фазе) нагрузки - ламп накаливания, нагревателей хорошо описаны в литературе, известно немало их практических конструкций. Однако нагрузка бывает не только активная, но и реактивная. На практике часто требуется регулирование скорости вращения электродвигателей. Другой вид не чисто активной нагрузки – силовой трансформатор, к вторичной обмотке которого подключена нагрузка, а в цепи первичной обмотки установлен регулятор. Включение тиристорного регулятора в цепи первичной обмотки часто оказывается удобнее т. к. большинство широко распространенных тиристоров хорошо работают при сетевом напряжении и токе до нескольких Ампер. В данной работе рассматривается тиристорный регулятор, приспособленный для работы с нагрузкой, имеющей выраженную индуктивную составляющую. Схема разрабатывалась таким образом, чтобы в ней можно было применить широко распространенные детали.

Электродвигатели и трансформаторы имеют стальной сердечник, который может насыщаться, поэтому протекание постоянного тока через эти виды нагрузки не допускается. Другими словами, верхняя и нижняя полуволна напряжения на нагрузке должны быть симметричны.

Автор потратил немало времени на эксперименты с разными схемами тиристорных регуляторов. В частности, была испытана микросхема К1182ПМ1Р – для работы с вентилятором она не подошла т. к. напряжение на выходе регулятора имело неописуемую словами несимметричную форму, а микросхема быстро выходила из строя. Из моих опытов я сделал для себя вывод, что К1182ПМ1Р хороша для ламп накаливания, а вот в вентиляторе, например, ей делать нечего. Также испытывалось несколько схем регуляторов на симисторах – с ними тоже ничего хорошего не вышло. Вероятно, симисторы хотя и называются “симметричными”, имеют разброс характеристик при положительной и отрицательной полярности.

Удовлетворительных результатов удалось добиться с регулятором на тиристоре, включенном на выходе выпрямительного моста. Схема макета регулятора приведена на рис. 1. Замечания по поводу этой схемы следующие. С некоторыми видами нагрузки регулятор работал все-таки неустойчиво, поэтому параллельно нагрузке приходилось включать лампочку накаливания 220V 15W, т. е. небольшую активную нагрузку. Схема лучше работала с прибором КУ208Г (симистор использовался как тиристор), чем с КУ202Н, вероятно, из-за того, что КУ208Г имеет меньший ток удержания. Считается, что с проблемы с индуктивной нагрузкой возникают из-за того, что за время действия управляющего импульса ток через тиристор не достигает тока удержания.

При экспериментах с макетом рис. 1. автор опробовал управление регулятором при помощи оптрона. Дело в том, что в литературе описано много тиристорных регуляторов, но они управляются только ручкой переменного сопротивления. Часто требуется управление регулятором в соответствии с каким-либо управляющим сигналом. Оптрон позволяет это осуществить причем он обеспечивает гальваническую развязку с сетью 220V.

Использована схема управления на транзисторах т. к. она не имеет гистерезиса, т. е. неодинакового регулирования при повороте ручки в сторону увеличения и уменьшения мощности. Гистерезис был замечен в схемах управления, выполненных на динисторе или его транзисторном аналоге.

 

Рис. 1

 

2. Схема модуля регулятора SCR3M0

После того, как удалось добиться устойчивой работы макета была составлена схема модуля SCR3M0 (см. рис. 2). Далее приводится его описание.

---------------------------------------------------------

 

Рис. 2.

 

Модуль SCR3M0 разработан как универсальный тиристорый регулятор. Он может быть использован сам по себе или как один из модулей сложного  радиотехнического прибора.

Напряжение сети выпрямляется диодным мостом VD1-VD4. Резисторы R1-R3 и стабилитроны VD5-VD7 образуют стабилизатор питания схемы управления. В точке “a” получаются трапециидальные импульсы напряжения с амплитудой около 20V. Схема управления собрана на транзисторах VT1 и VT2. Через переменный резистор (установлен вне платы) и резистор R4 заряжается времязадающий конденсатор C1. Когда напряжение на C1 превысит напряжение в точке соединения R6 и R7, открывается транзистор VT1. Своим коллекторным током он открывает транзистор VT2. Коллекторный ток VT2 открывает VT1. Поэтому транзисторы лавинообразно открываются и разряжают конденсатор С1 через диод VD8 и резистор R8 в управляющий электрод тиристора. Изменяя сопротивление между точками “а” и “б” можно менять скорость заряда конденсатора С1. Чем быстрее заряжается этот конденсатор, тем раньше напряжение на нем превысит напряжение в точке соединения R6 и R7 и в управляющий электрод тиристора поступит отпирающий импульс. Таким образом, изменяя сопротивление между точками “а” и “б” можно изменять момент отпирания тиристора относительно начала полупериода напряжения на регуляторе, т. е. осуществлять фазовое регулирование мощности на нагрузке. Резистор R8 ограничивает ток управляющего электрода тиристора. Диод VD8 предотвращает влияние тиристора на работу схемы управления. Резистор R9 предотвращает самопроизвольное отпирание тиристора. Резистор R5 уменьшает влияние помех на схему управления.

Для дистанционного управления к точкам “а” и “б” подключается оптрон VU1 с вспомогательными элементами. Управляющее напряжение подается на выводы CNT- и CNT+1, в этом случае резистор R10 ограничивает ток светодиода оптрона. Если управление модулем SCR3M0 осуществляется от источника тока, используются выводы CNT- и CNT+2.

Резистор R11 определяет чувствительность оптрона. Диод VD9 не допускает появления на фототранзисторе оптрона обратного напряжения.

Резистор R4 подбирают таким образом чтобы при закороченных выводах DC+2 и REG получалась наибольшая мощность на нагрузке. Если установить R4 слишком малым, то при повороте ручки регулятора в сторону увеличения мощности в некоторый момент напряжение на нагрузке будет исчезать. Чтобы избежать этого при любых режимах эксплуатации регулятора, сопротивление R4 лучше взять с запасом в бОльшую сторону. У изготовленных автором модулей требовалось устанавливать R4 от 1kW до 6.8 kW.

---------------------------------------------------------

3. Печатная плата модуля регулятора SCR3M0

Для регулятора мощности была разработана печатная плата (см. рис. 3). Разработка платы проводилась в программе PCAD.

 

Рис. 3.

 

Плата разрабатывалась таким образом, чтобы ее можно было применить в самых разных устройствах. В центральной части платы находятся элементы схемы управления тиристором. Возможна установка на плату моста типа КЦ405 или четырех диодов типа 1N5408. С одного края может быть установлен тиристор (без радиатора или с небольшим радиатором).

 

Рис. 4. Детали, применяемые в тиристорных регуляторах

 С другого края может быть установлен оптрон. Ширина платы 50mm. Длина без оптрона и тиристора – 120mm. С оптроном и тиристором длина платы 160mm.

Эскизы деталей, которые могут быть использованы в тиристорном регуляторе показаны на рис. 4. Если на эскизах показаны не наибольшие размеры деталей, взятые из справочника, а размеры обмеренного образца детали, об этом сделана пометка. Конденсаторы К73-17 0.22mF * 630V имеют примерно те же размеры, что и К73-17 0.47mF * 630V, только их толщина не 13mm, как на рис. 4, а около 10mm. Следует заметить, что конденсаторе в “окукленных” корпусах, например, К73-17 могут иметь значительный разброс размеров.

Размеры деталей в MIL (миллидюймах) указаны для работы с программами, работающими не в метрической системе мер. Миллидюймы указаны при пересчете 100MIL=2.5mm (Печать из программы P-CAD производить с масштабом 0.98).

Часто провода отрываются от печатной платы, особенно если плату несколько раз снимали из устройства, в котором она установлена. Замечено, что обрыв проводов происходит вблизи места пайки. Поэтому в модуле SCR3M0 предусмотрено пропускание монтажных проводов через дополнительные отверстия в печатной плате. На рис. 5. показан вариант 1, который проще, но пайка проводов возможна только до установки модуля в устройство.

Вариант 2, показанный на рис. 6. позволяет производить пайку проводов после установки платы в корпус.

Рис. 5

 

Рис. 6

 

Отверстия в печатной плате имеют диаметр Æ1mm кроме

Æ1.5mm для диодов 1N5408, проводов МГШВ-0.35 (зачищенных), катодных выводов стабилитронов Д814, проволочных петель (см. рис. 6)

Æ2mm для блока выпрямительного КЦ405 (часто достаточно Æ1.5mm)

Æ2.5mm для проводов МГШВ-0.35 (не зачищенных)

Æ3.5mm для винтов M3, которыми плата крепится в корпусе изделия

Æ7mm для крепления тиристора КУ202 или КУ208

 

 

 

4. Регулятор мощности SCR3 на основе модуля SCR3M0

Регулятор мощности предназначен для работы с бытовыми электроприборами – лампами накаливания, вентиляторами и пр.  Его схема  приведена ниже.

 

Рис. 7

 

Описанный здесь регулятор был изготовлен летом 2007 и использовался весь август с вентилятором ВП1 (220V 45W 13m³ возд./мин). При помощи регулятора скорость вращения вентилятора снижалась, что позволяло использовать его ночью (т. к. на пониженных оборотах вентилятор переставал шуметь). При необходимости работать с мощными нагрузками тиристор нужно установить на радиатор.

Для уменьшения помех, создаваемых регулятором применен фильтр C1 C2 L1 L2. Сопротивление R3 предназначено для разряда конденсаторов C1 и C2 после выключения регулятора из сети. Сопротивление R4 (вне модуля) подобрано таким образом чтобы “растянуть” регулирование мощности нагрузки на весь угол поворота ручки сопротивления R2. 

Регулятор собран в небольшом металлическом корпусе. На случай если потребуется дистанционное управление регулятором  на задней стенке корпуса установлено гнездо X3.

Поскольку тиристорный регулятор работает под сетевым напряжением при его изготовлении и наладке необходимо соблюдать требования техники безопасности.

 

4. Замечания по модулю SCR3M0.

К моменту написания статьи было изготовлено несколько модулей SCR3M0 и они испытывались в т. ч. составе системы автоматического регулирования. Замечания следующие. Во-первых, можно не устанавливать один из стабилитронов, например, впаять вместо VD7 перемычку. С двумя стабилитронами на 7-8V схема работала не хуже, чем тремя.

Во-вторых, оказалось, что в некоторых случаях оптрон типа 4N35 работает неудовлетворительно. С ним может возникать асимметрия верхних и нижних полуволн напряжения на нагрузке. Вероятно, асимметрия связана с емкостью или утечкой между светодиодом и фототранзистором оптрона. Намного лучше схема работала с самодельным оптроном из светодиода АЛ107 и фототранзистора КТФ104А. АЛ107 и КТФ104А нужно поставить вплотную “лицом к лицу” в небольшой непрозрачной коробочке. Для управления таким самодельным оптроном требовался ток порядка нескольких миллиампер.

В-третьих, оказалось, что иногда R5 лучше установить не на 10kW, а меньшего сопротивления, например, 3.3 kW.

 

 

Автор выражает благодарность Матянину, ПГУ за помощь в разработке и изготовлении регулятора.

 

Инж. А. Федюков, Пенза, 17 окт. 2007