Принцип регулирования мощности в нагрузке на переменном токе посредством тиристоров

Принцип регулирования мощности в нагрузке на переменном токе посредством тиристоров

Среднюю мощность нагрузки в цепях синусоидального переменного тока можно регулировать посредством тиристоров. Данный способ управления потребляемой мощностью реализуется особенно легко, если нагрузка носит чисто активный характер. Тем не менее, с некоторыми доработками цепей потребителя, посредством тиристоров можно управлять и нагрузками имеющими реактивную составляющую.

Такой подход к регулированию в целом именуются фазовым регулированием напряжения, и применяется обычно к таким потребителям, которые изначально способны питаться напрямую от сети, но не требуют при этом идеально гармонической формы напряжения.

Принцип управления заключается в изменении угла открытия тиристора как электронного ключа. Так, когда тиристор открывается и проводит ток не на протяжении всей полуволны синусоиды, а только начиная с определенной ее фазы, к нагрузке подаются неполные синусоиды, а их кусочки с отрезанной начальной частью полупериода.

Это достигается тем, что тиристор либо работает как самостоятельный однополупериодный выпрямитель, либо два тиристора включаются в схему выпрямителя (тогда это — так называемый управляемый выпрямитель). Результат работы схемы — снижение действующего значения напряжения, подаваемого на нагрузку, которая подключена после такого выпрямителя.

Подобные схемы часто можно встретить в блоках плавного пуска двигателей постоянного тока, на платах управления током зарядки аккумуляторов, в устройствах регулирования яркости ламп накаливания и т. п.

Достоинство данного подхода заключается прежде всего в дешевизне и простоте сборки схем с тиристорами, а также в простоте схем управления фазовым регулированием напряжения, если речь идет о сетевом переменном токе. Недостатком, конечно, является искаженная форма получаемого напряжения, высокий коэффициент пульсаций тока на выходе и снижение коэффициента мощности потребителя.

Суть недостатка связанного с искажением формы напряжения и тока заключается в том, что при резком отпирании тиристора резко возрастает ток через нагрузку, при этом скачком увеличивается падение напряжения на сопротивлениях как в цепи питания, так и в цепях нагрузки. Форма напряжения питания становится вовсе не синусоидальной. Приходится строить дополнительные фильтры, если речь идет, скажем, об управлении мощностью асинхронного двигателя, для которого всегда желателен чистый синус.

Тиристор устроен так, что начинает проводить ток подобно диоду начиная ровно с того момента, когда на его управляющий электрод подан импульс отпирающего напряжения. В этот момент тиристор переходит из запертого состояния в проводящее, и проводит ток от анода к катоду даже если действие управляющего импульса уже закончилось, но ток от анода к катоду продолжает течь.

Как только в цепи ток прекращается, тиристор запирается и ждет очередного импульса на свой управляющий электрод пока со стороны анода приложено напряжение. Так и формируются периоды открытого состояния тиристора, так и получаются резаные кусочки синусоиды тока в цепи потребителя.

По этой причине тиристорное регулирование находит широкое применение в бытовых электроприборах, где работают ТЭНы, двигатели постоянного тока, нити накаливания, — такие приборы, которые не особо чувствительны к пульсациям, возникающим на сетевой частоте. Для регулировки температуры электрического теплого пола, интенсивности свечения ламп накаливания, температуры масляных обогревателей, паяльников и т. п. — маленькие, компактные и недорогие тиристорные диммеры подходят идеально.

Симисторный регулятор температуры Regin TTC25

Симисторный регулятор мощности для электрических обогревателей. Трехфазное напряжение 230 В или 400 В, 25 А.

Электрический регулятор мощности Regin ТТС25 предназначен для управления трехфазными электрическими обогревателями. Регулятор универсален и дешев.

Работа на трехфазную нагрузку напряжением 230 В или 400 В без необходимости ручного выбора напряжения.

Работа на нагрузку, включенную по схеме «звезда» или «треугольник».

Пропорционально-интегральное управление для регулиро- вания температуры приточного воздуха или пропорциональное регулирование для регулирования температуры в помещении с автоматической адаптацией функции управления.

Настраиваемые предельные значения минимальной и максимальной температуры.

Regin ТТС25 является функционально полным регулятором, работающим с датчиками Regin.

Regin ТТС25Х управляется внешним сигналом 0…10 В от другого регулятора.

Описание

Регулятор ТТС25 предназначен для регулирования мощности электрических обогревателей с током нагрузки до 25 А. Регулятор подходит для установки на монтажной DIN-рейке. Регулятор включается последовательно между сетью питания и электрическим обогревателем, включенным по схеме «звезда» или «треугольник». Возможно также использование ТТС25 для асимметричной нагрузки, включенной по схеме «треугольник».

Принцип действия

Регулирование осуществляется за счет включения и отключения полной нагрузки. Регулятор реализует пропорциональное управление по времени, путем изменения соотношения, между временем включенного и отключенного состояния нагрузки в соответствии с заданными требованиями к обогреву. Например, если нагрузка 30 секунд включена и 30 секунд отключена, то это означает, что выходная мощность обогревателя составляет 50% от максимальной. Время цикла (сумма времени включенного и отключенного состояния нагрузки) является настраиваемой величиной в диапазоне 6…60 секунд.

Такое регулирование уменьшает затраты на электроэнергию и увеличивает комфортность за счет поддержания заданной температуры. Коммутация нагрузки осуществляется полупроводниковым прибором (симистором). Это означает, что в коммутирующем устройстве отсутствуют какие-либо механи ческие элементы, подверженные износу. Коммутация нагрузки всегда производится в тот момент, когда ток и напряжение равны нулю, что исключает возникновение электромагнитных помех.

Регулятор ТТС25 автоматически изменяет закон регулирования в соответствии с динамикой объекта регулирования.

Регулирование температуры в помещении

При быстро изменяющейся температуре регулятор ТТС25 работает в режиме пропорционально-интегрального регулятора с фиксированной зоной пропорциональности 20 К и фиксированным временем возврата в исходное состояние, равным 6 минутам.

Регулирование температуры приточного воздуха

При медленно изменяющейся температуре регулятор ТТС25 работает в режиме пропорционального регулятора с фиксированной зоной пропорциональности 2 К.

При регулировании температуры воздуха в помещении одновременно может ограничиваться максимальная и/или минимальная температура приточного воздуха.

Управление электрообогревателями большой мощности

Если мощность электрообогревателей превышает предельно допустимую для регулятора ТТС25, то можно подключить ТТС25 совместно со ступенчатыми регуляторами ТТ-S4/D или TT-S6/D (смотри раздел 2).

К регулятору ТТС25Х может быть подключен внешний сигнал управления от другого регулятора с диапазоном изменения напряжения 0…10 В.

Регулятор TTC25 используется регулирования напряжения канального нагревателя PBER, PBEC а так же нагревателей других производителей .

Модели

ТТС25 Симисторный регулятор мощности для работы с датчиками Regin NTC с обратной температурной зависимостью.

ТТС25Х Симисторный регулятор мощности для работы только от внешнего сигнала управления 0…10 В постоянного тока.

Общие технические данные

Требования к электросети Три фазы, 210-255/380-415 В переменного тока, 50-60 Гц. Без необходимости ручного выбора напряжения сети.

Ток нагрузки Максимальный – 25 А на фазу, минимальный – 3 А на фазу. Подключение нагрузки, как по схеме «звезда», так и по схеме «треугольник».

Окружающая среда Максимальная температура 40°С без конденсации влаги. (диапазон рабочих температур) Примечание. Собственное тепловыделение регулятора TTC25 составляет 50 Вт. Температура хранения -40…+50°С. Влажность воздуха Относительная влажность 90% макс.

Размеры (ш x в x г) 192*198*95 мм.

Степень защиты IP20. СЄ Данное устройство соответствует требованиям европейских стандартов по электромагнитной совместимости CENELEK EN 50081-1 и EN 50082-1, а также требованиям европейских стандартов LVD по низкоскоростной детонации IEC 669-1 и IEC 669-2-1 и имеет маркировку СЄ.

Параметры цепи управления TTC25

Зона пропорциональности (регулирование температуры приточного воздуха) 2 К, фиксированная.

Время возврата в исходное состояние (регулирование температуры приточного воздуха) 6 минут, фиксированное.

Зона пропорциональности (регулирование температуры в помещении) 20 К, фиксированная.

Индикатор Светодиод, который включен в том случае, если нагрузка включена.

Входы для термодатчиков Два (2) входа. Однин для главного датчика и один для датчика максимальной или минимальной температуры. Выбор датчика приведен в разделе 6-100.Внимание. Датчик максимума/минимума должен иметь диапазон 0…60°С.

Настраиваемая с помощью встроенного потенциометра или внешнего задающего устройства.

Параметры входных сигналов

0…10 В постоянного тока при работе от других контроллеров.

Параметры выходных сигналов

0…10 В, подключение к выходному устройству с помощью проволочной перемычки (между клеммами 7-9).

Диапазон настройки

Заданная температура

0…30°С, настраиваемая. Диапазон настройки регулятора определяется выбором термодатчика.

Ограничение минимальной температуры

Ограничение максимальной температуры

Длительность цикла

6…60 секунд, настраиваемая.

Регулируемая перенастройка на пониженную температуру в ночной период

Возможно применение устройства NS/D.

Входной сигнал TTC25X

Только внешний входной сигнал в диапазоне 0…10 В постоянного тока с настраиваемым временем цикла. Отсутствует возможность ограничения максимальной или минимальной температуры. Остальные технические характеристики соответствуют приведенным выше.

Мощность электрического тока

Мощность электрического тока – один из основных параметров, определяющих работу электроцепи, наряду с напряжением и силой тока. Этот показатель всегда присутствует в технических характеристиках двигателей, трансформаторов, генераторов.

Генератор на электростанции

Определение

Чтобы понять, что такое мощность тока, надо определить его работу, так как они неразрывно связаны. Работа электротока заключается в энергопреобразовании из электрического вида в тепловой, кинетический и т. д. Мерилом этой энергии является работа. А мощность электрического тока – это скорость, с которой происходят преобразования. Формулой можно выразить:

В чем измеряется мощность тока, проистекает из формулы, – Дж/с. Получилась единица измерения, называемая ватт (Вт). Другая единица измерения мощности, часто применяемая в энергетике, – следствие из другой формулы:

Это вольтампер (ВА) и производные от нее кВА, мВА.

Важно! Благодаря последней формуле, можно заметить, что идентичную мощность электрического тока возможно получить при повышенном напряжении и маленьком токе либо при перемене местами количественного значения этих показателей. Так как при большом токе потери выше, эту зависимость используют, передавая электроэнергию по высоковольтным ЛЭП на значительные дистанции.

В электроцепях на постоянном токе существует один вид мощности, измеряемый в ваттах. Электрическая мощность, используемая при расчетах электросетей переменного тока, может быть:

• активная;
• реактивная;
• полная;
• комплексная.

Активная

Этот вид мощности электрического тока определяет работу, целиком затраченную на энергопреобразования. Пример – энергия, выделившаяся на нагрев сопротивления.

Формула расчета:

где «φ» – это угол, на который сдвинуты фазы между векторами тока и напряжения.

Показатели U и I при подстановке в формулическое выражение берутся среднеквадратичные.

Формулы для расчета мощности

Реактивная

Реактивная мощность электрического тока применяется для оценки количественного показателя емкостной и индуктивной нагрузки на сеть.

Формула расчета:

Для реактивной мощности электрического тока применяют единицу измерения вольтампер реактивный (ВАр, кВАр, мВАр).

Реактивная часть появляется при расчете мощности в электрической цепи, к которой подключена индуктивность или емкость:

1. Индуктивность – это любая катушка: трансформаторная, реакторная, обмотки электродвигателя и т. д. Из-за происходящих процессов самоиндукции электрическая энергия не вся преобразовывается в другой вид, а определенное количество возвращается в сеть. Так как вектор ее смещен по фазе, сеть работает с перегрузкой;
2. Конденсатор, представляющий собой емкость, работает аналогичным образом, но смещение вектора возвращаемой энергии находится в противофазе по сравнению с индуктивным.

Важно! Для повышения качества электроэнергии и более эффективной работы электросетей свойство индуктивности и емкости работать в противофазе используется для компенсации реактивной энергии (применение конденсаторных батарей).

Полная

Зная активную и реактивную составляющую, можно определить, чему равна полная мощность электрического тока. Хотя она не характеризует потребление энергии по факту, расчеты необходимы для определения нагрузки на компоненты электросетей: воздушные и кабельные линии, коммутационные аппараты, трансформаторы.

Формула расчета:

S = U*I, результат измеряется в вольтамперах.

Если использовать для расчета активную и реактивную составляющую, то полное мощностное значение определяется извлечением квадратного корня из суммы их квадратов.

Как измеряется

Количественный мощностной показатель измеряется несколькими способами с помощью разных приборов:

• ваттметры, варметры для прямых замеров;
• амперметры и вольтметры для косвенных замеров;
• фазометр, позволяющий оценить влияние реактивной составляющей.

Прямые замеры

Служат для прямого измерения активного и реактивного мощностного показателя. Все ваттметры и варметры делятся на:

1. Аналоговые. Существуют стрелочные приборы и с самопишущими устройствами. На них отображается активная мощностная величина. Состоят из неподвижной катушки, включенной в цепь последовательно, и подвижной с параллельным подключением. Стрелка отклоняется от взаимного влияния создаваемых магнитных полей;
2. Цифровые. Содержат микропроцессоры, вычисляющие значения активной и реактивной составляющих на основе измерений тока и напряжения.

Существуют трехфазные и однофазные приборы, многофункциональные ваттметры для замеров других параметров: частоты, силы тока, напряжения.

Косвенные замеры

При косвенных замерах в цепь подключается амперметр и вольтметр, снимаются их показания, затем, подставляя их в формулическое выражение, вычисляется количественный мощностной показатель.

Фазометры

Замерить коэффициент, на который умножается активная мощность, cos φ, можно с помощью фазометра, что позволяет оценить влияние реактивного компонента.

Аналоговое устройство работает по тому же принципу, что и идентичный ваттметр. Только шкала проградуирована в значениях cos φ. Подключение прибора производится к одним клеммам последовательно, к другим –параллельно, чтобы измерять напряжение и электроток. В трехфазных устройствах надо подсоединить все фазы.

Высокоточные цифровые приборы содержат детекторы, непосредственно сравнивающие фазы, и микропроцессоры, обрабатывающие информацию.

Фазометры нашли широкое применение при регулировании работы генераторов и синхронных электродвигателей:

1. У синхронного электродвигателя cos φ зависит от возбуждающего тока. При регулировании его функционирования в режиме отдачи реактивной составляющей, чтобы уменьшить ее негативное влияние, используют фазометр;
2. В генераторах применяется ручное регулирование cos φ с целью поддержания стабильности его параметров в пусковых режимах. Если нагрузка индуктивная, и cos φ в индуктивной зоне шкалы снижается, возможен опасный нагрев статорной обмотки. При нахождении cos φ в емкостной зоне генератор работает на потребление тока, что недопустимо.

Регулирование cos φ

Если cos φ понижается, то в сети увеличиваются потери, а полезная часть работы по преобразованию электроэнергии уменьшается. Соответственно, растет потребление из сети. При этом напряжение падает.

Важно! Для обеспечения наилучшего соотношения параметров электросети необходимо поддерживать cos φ на уровне 0,95 в индуктивной части шкалы фазометра.

Для компенсации индуктивной нагрузки, уменьшающей cos φ, на электрических подстанциях устанавливают конденсаторные батареи. Когда индуктивная составляющая падает значительно, батареи отключаются. Иногда это реализуется в автоматическом режиме. Отслеживание cos φ производится по фазометру.

Расчеты разных видов мощности показывают, насколько работа сети надежна и эффективна, позволяют оценить потери в количественном выражении.

Видео

О частоте в Единой энергетической системе России

Частота электрического тока является одним из показателей качества электрической энергии и важнейшим параметром режима энергосистемы. Значение частоты показывает текущее состояние баланса генерируемой и потребляемой активной мощности в энергосистеме. Работа Единой энергосистемы России планируется для номинальной частоты – 50 герц (Гц). Непрерывность производства электроэнергии, отсутствие возможности запасать энергию в промышленных масштабах и постоянное изменение объемов потребления требуют настолько же непрерывного контроля за соответствием количества произведенной и потребленной электроэнергии. Показателем, характеризующим точность этого соответствия, является частота.

При ведении режима ЕЭС, постоянно возникают колебания баланса мощности в основном из-за нестабильности потребления, а также (гораздо реже) при отключениях генерирующего оборудования, линий электропередачи и других элементов энергосистемы. Указанные отклонения баланса мощности приводят к отклонениям частоты от номинального уровня.

Повышенный уровень частоты в энергосистеме относительно номинальной означает избыток генерируемой активной мощности относительно потребления энергосистемы, и наоборот, пониженный уровень частоты означает недостаток генерируемой активной мощности относительно потребления.

Таким образом, регулирование режима энергосистемы по частоте заключается в постоянном поддержании планового баланса мощности путем ручного или автоматического (а чаще и того, и другого одновременно) изменения нагрузки генераторов электростанций таким образом, чтобы частота все время оставалась близкой к номинальной. При аварийных ситуациях, когда резервов генерирующего оборудования электростанций недостаточно, для восстановления допустимого уровня частоты, может применяться ограничение нагрузки потребителей.

Регулирование частоты электрического тока в ЕЭС России осуществляется в соответствии с требованиями, установленными Стандартом ОАО «СО ЕЭС» СТО 59012820.27.100.003-2012 «Регулирование частоты и перетоков активной мощности в ЕЭС России. Нормы и требования» (в редакции от 31.01.2017) и национальным стандартом Российской Федерации ГОСТ Р 55890-2013 «Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Регулирование частоты и перетоков активной мощности. Нормы и требования» (далее – Стандарты).

Согласно указанным Стандартам, в первой синхронной зоне ЕЭС России должно быть обеспечено поддержание усредненных на 20-секундном временном интервале значений частоты в пределах (50,00±0,05) Гц при допустимости нахождения значений частоты в пределах (50,0±0,2) Гц с восстановлением частоты до уровня (50,00±0,05) Гц за время не более 15 минут. Высокие требования к поддержанию частоты обусловлены необходимостью согласования отклонений частоты с планируемыми запасами пропускной способности контролируемых сечений ЕЭС в нормальных условиях. Для ЕЭС России, характеризующейся протяженными межсистемными связями, входящими в контролируемые сечения, более жесткие нормативы по поддержанию частоты и, соответственно, баланса мощности, позволяют максимально использовать пропускную способность этих связей.

Все вращающиеся механизмы в синхронно работающих частях энергосистемы (турбины, генераторы, двигатели и т.д.) имеют номинальные проектные обороты, пропорциональные номинальной частоте в сети. Известно, что номинальный режим работы всех вращающихся механизмов является наиболее эффективным с точки зрения их экономичности, надежности и долговечности. Отклонение от номинальных оборотов приводит к нежелательным эффектам в работе оборудования электростанций и потребителей (возникновение повышенных вибраций, износа и т.д.), снижению их экономичности и надежности. Для разного оборудования существуют предельно допустимые отклонения частоты от номинальной. Поддержание частоты на уровне близком к номинальному обеспечивает максимальную экономичность работы энергетического оборудования и максимальный запас надежности работы энергосистем.

2020 году частота электрического тока в ЕЭС России поддерживалась в пределах, установленных национальным стандартом Российской Федерации ГОСТ Р 558902013 «Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Регулирование частоты и перетоков активной мощности. Нормы и требования» 8784 часов или 100 % в пределах 50±0,2 Гц и 8778 часов 42 минуты 20 секунд или 99,940 % в пределах 50±0,05 Гц с восстановлением частоты при выходе до уровня 50±0,05 Гц за время не более 15 минут. Максимальное и минимальное мгновенные значения частоты в первой синхронной зоне ЕЭС России составили соответственно 50,107 Гц и 49,874 Гц. Максимальная продолжительность периода выхода частоты за пределы (50,00±0,05) Гц составила 04 минуты 40 секунд (09.06.2020).

В 2020 году суммарная продолжительность работы I синхронной зоны ЕЭС России с частотой электрического тока более 50,05 Гц составила 01 час 40 минут 20 секунд, а с частотой менее 49,95 Гц – 03 часа 37 минут 20 секунд.