Основные варианты силовых однофазных бесконтактных коммутирующих и регулирующих устройств (БКРУ) показаны на рис. 10.1. Включение управляемых вентилей осуществляется сигналом, синхронизированным с напряжением сети. Напряжение на нагрузке регулируется за счет изменения угла задержки (управления) включения , регулируемого от момента прохождения через нуль тока нагрузки (от угла нагрузки).
Схема рис. 10.1, а является наиболее распространенной и базовой при построении трехфазных схем БКРУ. Каждый из тиристоров работает поочередно на интервале одной полуволны, коммутируя соответствующую полуволну напряжения . Максимальные значения прямого и обратного напряжений на тиристоре равны , где – действующее значение питающего напряжения. Среднее значение тока через тиристор равно , где – действующее значение тока нагрузки.
В ряде случаев вместо тиристоров для управления двигателем может быть использован симистор (рис. 10.1, б). Однако при этом весь ток нагрузки протекает по вентилю и средний ток симистора равен:. Кроме того, у симисторов величина в несколько раз ниже, чем у тиристоров, что затрудняет их использование в реверсивных схемах.
Схема рис. 10.1, в аналогична схеме рис. 10.1, а. По тиристору протекает весь ток нагрузки и . Максимальное значение прямого напряжения на нем такое же, как в схеме рис. 10.1, а. Однако здесь тиристор практически защищен от действия обратного напряжения включением неуправляемых вентилей. Тиристор коммутирует обе полуволны напряжения , поэтому частота импульсов управления должна быть в два раза выше частоты питающей сети.
В схеме рис. 10.1, г используются дополнительные диоды, включенные встречно-параллельно тиристорам, в связи с чем обратное напряжение на тиристорах в процессе работы близко к нулю. Это позволяет облегчить требования к выбору тиристоров по
напряжению, так как выбор будет проводиться только по максимальному значению прямого напряжения. Ток нагрузки соответствующего направления протекает в данной схеме через последовательно включенные тиристор и диод. Кривая обратного напряжения на диоде при регулировании имеет тот же вид, что и кривая обратного напряжения одноименного тиристора в схеме рис. 10.1, а.
Рассмотрим особенности работы БКРУ на обмотку машины переменного тока. Очень часто для приближенных расчетов тиристоры представляются идеальными вентилями, а машина переменного тока – в виде активно-индуктивной нагрузки. При этом не учитывается изменение параметров машины при регулировании ее скорости и ЭДС взаимоиндукции между различными фазами статора и ротора. Однако такой подход значительно упрощает исследования, позволяет получить универсальные расчетные соотношения, а также легко произвести качественный анализ различных схем.
Сначала рассмотрим процессы, возникающие при работе одного тиристора VS1 на фазу двигателя переменного тока, представляющую последовательное соединение активного сопротивления фазы и индуктивности Lн (рис. 10.2, а). В момент подачи отпирающих импульсов αот (рис. 10.2, б, в) через тиристор нарастает ток нагрузки до максимального значения iмакс, после чего он поддерживается за счет энергии, накопленной в индуктивности . Закрытие тиристора происходит при угле . Длительность протекания тока через тиристор ха
рактеризуется углом проводимости
.
Для удобства расчета иногда целесообразно использовать дополнительный угол проводимости:
.
Форма тока в нагрузке находится из решения дифференциального уравнения, составленного для активно-индуктивной цепи переменного тока.
При включении вентиля VS1 (рис. 10.2, а) ток нагрузки в общем случае содержит принужденную (периодическую) и свободную (апериодическую) составляющие. При свободная составляющая отсутствует и (рис. 10.2, б), фазовый угол нагрузки определяется из соотношения:
.
Как указывалось, наиболее часто применяется схема с встречно-параллельным включением тиристоров (см. рис. 10.1, а). Особенностью такого включения по сравнению со схемой рис. 10.2, а является зависимость от фазового угла нагрузки () не только угла закрытия (), но и угла открытия (). При включении активной нагрузки () на напряжение угол проводимости вентиля . Ток через
нагрузку является прерывистым (рис. 10.3, а). Диапазон изменения . При ток становится непрерывным синусоидальным.
При активно-индуктивной нагрузке и (рис. 10.3, б) длительность протекания тока , и он является прерывистым. Тиристор вступает в работу, когда предыдущий тиристор уже закрыт. Когда (рис. 10.3, в), для каждого тиристора , и последующий тиристор вступает в работу как раз в тот момент, когда закрывается предыдущий. Свободная составляющая тока отсутствует, и по нагрузке протекает непрерывный синусоидальный ток . Если , открытие тиристора невозможно, так как при этом встречный тиристор проводит ток и создает обратное напряжение на включаемом тиристоре. Поэтому максимальный диапазон изменения . При чисто индуктивной нагрузке этот диапазон равен .
Из рис. 10.3, а видно, что даже при активной нагрузке первая гармоника тока при регулировании отстает от напряжения сети на угол Следовательно, тиристорное устройство из встречно-параллельных тиристоров по отношению к сети ведет себя как нелинейное реактивное (индуктивное) сопротивление, что приводит к снижению коэффициента мощности сети. Коэффициент мощности повышают при , а ток и напряжение в нагрузке регулируют, изменяя угол запирания тиристоров. Такой способ регулирования осуществляют, применяя полностью управляемые силовые элементы или принудительную коммутацию тиристоров.
При значения тока и напряжения равны в различные полупериоды сетевого напряжения. Такой способ управления называется симметричным. При несимметричном управлении . Напряжение и ток нагрузки помимо нечетных содержат четные гармоники и постоянную составляющую, направление которой определяется знаком разности указанных углов открытия. Для машин переменного тока этот режим раб