Как сделать своими руками регулятор мощности: схемы симисторных и тиристорных устройств, принципы работы систем индикации

Регулирование мощности требуется в различных технологических процессах, главным образом для поддержания заданного температурного режима с помощью электронагревателей или печей.

Тиристорные схемы получили широкое распространение еще в 70-е годы прошлого века благодаря своей надежности и высокому КПД. Эти качества в сочетании с невысокой ценой делают тиристорный регулятор тока оптимальным решением для задач регулирования в современных системах промышленной автоматизации.

Тиристорный регулятор (далее по тексту — ТР) способен регулировать мощность в нагрузке двумя методами:

1) фазовый метод, при котором каждый полупериод сетевого напряжения силовые тиристоры отпираются с временной задержкой Тз. Форма выходного напряжения проиллюстрирована на рисунке 1. Серым цветом заштрихована область, соответствующая наличию напряжения на нагрузке. Чем больше временная задержка отпирания Тз, тем меньше напряжение на выходе.

Рисунок 1. Фазовый метод регулирования

Преимущества метода:

непрерывность регулирования позволяет поддерживать температуру объекта с высокой точностью, что особенно важно для объектов регулирования с малой тепловой инерцией, для которых недопустимы даже незначительные перерывы в подаче напряжения, поскольку это ведет к колебаниям температуры, приводящим к браку технологического процесса;
возможность осуществления плавного пуска для исключения больших пусковых токов. Это очень важное свойство, поскольку распространенным случаем является пониженное сопротивление нагревательного элемента в холодном состоянии. Классический пример — лампа накаливания, через которую в момент включения протекают пусковой ток в 10 раз больше номинального, что приводит к ее преждевременному износу. Применение плавного пуска путем подачи пониженного напряжения и постепенное его увеличение по мере роста сопротивления нагревательного элемента многократно продлевает его срок службы.

Недостатки метода:

внесение сильных импульсных помех в сеть и радиоэфир. Помехи создаются при коммутационных выбросах, возникающих при переключении тиристоров, и скачкообразном нарастании тока в нагрузке. Помехи могут влиять на работу чувствительной радиоэлектронной аппаратуры;
внесение в сеть нелинейных искажений. Форму тока при регулировании фазовым методом часто называют «рубленой синусоидой». Кривая тока помимо основной гармоники содержит высшие гармонические составляющие, которые вызывают искажения кривой напряжения. В ряде случаев искажения бывают настолько сильными, что форма сетевого напряжения лишь отдаленно напоминает синусоиду;
потребление из сети реактивного тока даже при чисто активной нагрузке и, как следствие, понижение коэффициента мощности сети.

Импульсные помехи и нелинейные искажения можно свести к минимуму путем дополнительной установки сетевых фильтров. Как правило, такие фильтры состоят из двух частей: индуктивной, сглаживающей кривую тока, и емкостной, подавляющей высокочастотные помехи. В зависимости от требований по снижению уровня помех и нелинейных искажений, стоимость сетевых фильтров может варьироваться в широких пределах: от 20% до 100% и более стоимости самого тиристорного регулятора. Впрочем, довольно часто сетевые фильтры не устанавливаются вообще, поскольку, во-первых многие нагрузки имеют индуктивную составляющую (например, при питании нагревателей через развязывающий трансформатор), а во-вторых искажения и помехи частично подавляются собственной индуктивностью сети. Индуктивное сопротивление сети обусловлено индуктивностью вторичной обмотки трансформаторной подстанции, собственной индуктивности проводов и кабелей и индуктивностью петли «фаза-ноль».

2) метод пропуска числа периодов, при котором тиристоры включены и выключены в течение некоторого целого числа периодов (рис.2). Другие распространенные названия этого метода — числовой или волновой.

Рисунок 2. Метод регулирования пропуском периодов

Преимущества метода:

не вносятся импульсные помехи в сеть. Поскольку включение тиристоров происходит в момент перехода сетевого напряжения через ноль, ток в нагрузке нарастает плавно, не вызывая электромагнитных помех.
не вносятся в сеть нелинейные искажения, поскольку нагрузка питается синусоидальным напряжением;
нет потребления реактивного тока при чисто активной нагрузке.

Недостатки метода:

дискретность регулирования не дает возможность поддерживать температуру с высокой точностью;
не годится для регулирования уровня освещенности;
при определенных условиях возможно появление в сети субгармоник, то есть гармоник, частоты которых меньше частоты сети.

Российскими и иностранными фирмами выпускаются одно- и трехфазные модификации тиристорных регуляторов. Однофазный тиристорный регулятор может коммутировать на нагрузку как фазное, так и межфазное напряжение сети (см. рис.3).

Рисунок 3. Подключение нагрузки к однофазному ТР

Нагрузка к выходу трехфазного тиристорного регулятора подключается по одной из четырех схем:«звезда» с рабочим нулем (рис 4), «звезда» (рис. 5), «треугольник» (рис. 6), разомкнутый «треугольник»(рис. 7).

Рисунок 4. Подключение нагрузки к ТР по схеме «звезда» с рабочей нейтралью Рисунок 5. Подключение нагрузки к ТР по схеме «звезда» Рисунок 6. Подключение нагрузки к ТР по схеме «треугольник» Рисунок 7. Подключение нагрузки к ТР по схеме разомкнутый «треугольник»

Распространенным случаем является так называемое многозонное регулирование, когда сопротивления нагрузки разнесены пространственно и возникает задача раздельного регулирования мощности в каждом из сопротивлений. Здесь возможны варианты: либо использование нескольких однофазных регуляторов, либо применение тиристорного регулятора с функцией раздельного регулирования напряжения по каждой фазе. Отметим, что далеко не все тиристорные регуляторы поддерживают эту функцию. Раздельное регулирование возможно лишь при подключении нагрузки по схемам «звезда» с рабочей нейтралью или разомкнутый «треугольник».

При подключении нагрузки по схемам «звезда» или «треугольник» возможно лишь совместное управление фазами, поскольку в этом случае изменение напряжения на одном из сопротивлений нагрузки приводит к изменению напряжения на двух других сопротивлениях.

Системы управления современных тиристорных регуляторов строятся на основе микропроцессорной техники и представляют потребителю широкий набор сервисных функций. Рассмотрим наиболее важные из них.

Простая схема регулятора мощности

Самые первые устройства, задача которых была в контроле и регулировании мощности, были основаны на законе Ома. Это простейшие схемы, которые позволяли регулировать только один источник напряжения на одно устройство.

Закон Ома гласит, что мощность электричества равняется напрямую произведению тока в квадрате. Основанный прибор получил название реостат.

Реостат может подключаться как последовательно, также наискось, т. е противоположно. Путем изменения сопротивления получается регулировки мощности напряжения, все достаточно просто.

Г) Контроль исправности тиристоров

Лучшие модели тиристорных регуляторов напряжения осуществляют диагностику исправности тиристоров. Эта функция очень важна не только по той причине, что позволяет вовремя обнаружить неисправное устройство, но и потому, что иногда она предотвращает еще большую аварию. Например, если нагрузка подключена через трансформатор, то при внутреннем обрыве или коротком замыкании одного из тиристоров происходит подача на трансформатор напряжения, имеющего постоянную составляющую, и как следствие, резко увеличивается ток намагничивания трансформатора, ведущий к интенсивному нагреву и выходу трансформатора из строя. Поэтому быстро обнаруженная неисправность тиристорного регулятора может предотвратить порчу дорогостоящего оборудования.

Особенности реостата

Когда ток поступает на реостат, он начинает разделять между устройством и самой нагрузкой. Если выбрана последовательная схема включения, то по контролем находятся напряжение и сила тока. При использовании параллельной схемы подключения под контролем находится разница потенциалов.

Сам реостат может быть совершенно разным.

Угольным
Жидкостным
Металлическим
Керамическим

При использовании реостата необходимо помнить о законах физики. Так электроэнергия, которая будет забираться, не может просто испариться. Реостат будет преобразовывать ее в тепло.

Это нужно учесть на тот случай, если планирует подавать на устройство большие значения. В случае с большой нагрузкой и выделением теплоты, нужно также учитывать необходимость отвода излишней теплоты.

В качестве системы охлаждения реостата можно использовать обдув, либо емкость с маслом, в которую помещается реостат. Оба варианта имеют как преимущества, так и недостатки.

Реостат достаточно интересное устройство, можно собрать схему регулятора мощности своими руками. Однако он имеет один достаточно значимый недостаток: не получится использовать маленькое устройство для пропуска через него больших значений электричества.

Критерии подбора стабилизатора для защиты бытовых электроприборов

Рассмотрим основные критерии выбора модели стабилизатора напряжения для защиты бытовой нагрузки.

Критерий подбора	Описание
Фазность	Как известно, для сети 220/230 В применим только однофазный стабилизатор. Однако, если в дом проведена трехфазная сеть, то можно воспользоваться разными вариантами организации защиты оборудования, а именно: установить трехфазное устройство (при наличии нагрузки, работающей от трех фаз); разместить по одному однофазному стабилизатору на каждой питающей фазе (если нет трехфазной нагрузки и требуется обеспечить защитой весь объем электротехники в доме); установить однофазную модель только на один фазный проводник для защиты группы ответственной нагрузки; разметить стабилизатор конфигурации 3 в 1 (три фазы в одну), предназначенный для защиты однофазного оборудования в сети 380/400 В.
Выходная мощность	Чтобы у стабилизатора не возникала перегрузка, его выходная мощность должна быть больше на 20-30% суммарной потребляемой мощности подключаемого оборудования. При этом важно учитывать возможные пусковые токи нагрузки, имеющей в своем составе электромоторы, например, холодильника, стиральной машины или насоса. Так как при их возникновении мощность такой техники может увеличиваться в несколько раз. Информацию о данном параметре нагрузки можно узнать в паспорте изделия.
Рабочий диапазон входного напряжения	У каждой модели стабилизатора есть свой рабочий диапазон напряжений. И если параметры сети будут выходить за его рамки, устройство уйдет в защиту и отключится, обесточив нагрузку. Поэтому изделие нужно подбирать, исходя из того, какие перепады напряжения бывают в домашней электросети. Для этого требуется самостоятельно или с помощью специалистов выполнить соответствующие замеры.
Точность коррекции напряжения	Погрешность значения выходного напряжения стабилизатора должна соответствовать требованиям подключаемой нагрузки. Данный параметр также указывается в паспорте изделия. Как правило, для большинства бытовых приборов оно составляет 5-7%, для светильников – 3%, а для высокоточной аппаратуры – до 1%.
Форма выходного напряжения	Для некоторых видов нагрузок важна не только высокая точность выходного сигнала, но и его форма. Искаженная синусоида может негативно сказаться на работе оборудования с электромоторами, систем освещения, аудио- и видеоаппаратуры, котлов отопления с циркуляционными насосами и др. Для таких электроприборов требуется напряжение только идеальной синусоидальной формы.
Виды электронной защиты	Чем больше у стабилизатора установлено электронных защит, тем лучше он защищен от проблем в электросети и, соответственно, эффективнее оберегает от их негативного воздействия подключенное оборудование.
Место установки	В зависимости от размеров места установки и его предназначения (жилое или нежилое помещение), стабилизатор подбирается по двум параметрам: исполнению (как правило, в бытовых условиях применяются настенные или напольные устройства, они крепятся на ровной вертикальной поверхности или устанавливаются на полу, стеллаже или столе); уровню шума (для жилых помещений требуется бесшумные или малошумные модели).
Дополнительный функционал	Часто стабилизаторы обладают дополнительным функционалом, который может быть полезным для пользователя. Например, некоторые модели оснащаются возможностью организации удаленного контроля их работы через интернет, позволяют настраивать значение выходного напряжения под требования нагрузки или имеют дополнительные разъемы для удобного подключения группы оборудования.

Современные устройства

С развитием полупроводниковой техники удалось существенно шагнуть от реостата к более технологичному оборудованию, который лишен недостатков своего предшественника. На сегодняшний день можно использовать радиоэлементы, коэффициент полезного действия которых от 80%, что очень много, в сравнение с тем же реостатом.

Использование таких элементов позволяет достаточно легко и просто применять современные устройства на сетях с напряжением в 220 В, что очень удобно. При этом современные устройства не требуют больших и сложных систем охлаждения, как это было раньше.

С изобретением микросхем интегрального типа фактически получилось сделать устройство по регулированию мощности максимально миниатюрным, и при этом повысить значение максимального напряжения, которое он может через себя пропустить.

Модельный ряд стабилизаторов напряжения «Штиль»

Российский производитель систем электропитания «Штиль» выпускает широкий модельный ряд инверторных стабилизаторов напряжения, среди которых:

однофазные модели настенного и напольного/стоечного исполнения с выходной мощностью от 0,3 до 18 кВт;
трехфазные устройства напольного/стоечного исполнения с выходной мощностью от 5,4 до 16 кВт;
модели с конфигурацией 3 в 1 (три фазы в одну) напольного/стоечного исполнения с выходной мощностью от 5,4 до 16 кВт.

Все устройства работают на основе двойного преобразования энергии, за счет чего достигается:

мгновенный отклик на любые отклонения сетевого напряжения;
стабилизация входного сигнала с высокой точностью (±2%) и в расширенном диапазоне (от 90 до 310 В);
электроснабжение нагрузки напряжением идеальной синусоидальной формы;
бесперебойное питание оборудования при кратковременных отключениях сети (до 0,2 с).

Кроме того, данные модели имеют электронную защиту от перегрузки, перегрева, КЗ, сетевых аварий и сбоев во время работы. Устройства оснащаются фильтрами, защищающими от высокочастотных помех, и варистором, нейтрализующим импульсные перенапряжения.

Инверторные стабилизаторы «Штиль» имеют бесшумную (конвекционную) или малошумную (конвекционную/вентиляторную или вентиляторную) систему охлаждения, что позволяет их использовать в жилых помещениях.

В зависимости от модели устройства обладают функционалом, который значительно упрощает их эксплуатацию, делая её максимально удобной, например, возможностью удаленного мониторинга через смартфон, ручной настройкой значения выходного напряжения, различными разъемами для одновременного подключения нагрузки, информативным ЖК-дисплеем, на котором отображаются все необходимые параметры системы электропитания.

Разновидности

Инструкция, как сделать регулятор мощности, будет зависеть от выбранного конкретного типа этого устройства. Рассмотрим, какие бывают разновидности прибора на сегодняшний день.

Фазовый. Один из самых распространенных, применяется в лампах. Его задача состоит в том, чтобы управлять яркостью свечения ламп накаливания, либо галогенных.
Симисторный регулятор мощности подразумевает собой устройство, которое регулирует мощность путем изменения количества полупериодов напряжения, именно они воздействуют на нагрузку.
Тристорные. Не пользуются большой популярностью, однако в некоторых случаях может стать незаменимой вещью. Принцип работы завязан на определенной задержке включения тристорного ключа в систему на полупериоде тока.

Регулятор хода. Один из самых высокотехнологичных. Позволяет плавно изменить показатели напряжения, снижая или повышая электрическую мощность, которая подается на электродвигатель или еще куда-либо.

Что такое регулятор напряжения и какие бывают его типы?

Термин «регулятор напряжения» имеет весьма широкое толкование, однако в быту под ним часто понимают такой электроприбор, как стабилизатор напряжения, который служит для коррекции входного напряжения и доведения его значения до номинального – 220/230 В в однофазных и 380/400 В в трехфазных электросетях.

Кроме регулировки входного напряжения, в зависимости от модели, стабилизатор способен защищать подключенную нагрузку от высокочастотных помех, импульсных перенапряжений, короткого замыкания и сетевых аварий.

Сегодня в бытовом секторе применяется несколько типов таких устройств, а именно: релейные, электромеханические, электронные и инверторные модели. Каждое изделие имеет определенный принцип функционирования и свои технические особенности.

Регуляторы напряжения на основе трансформатора

Релейные, электромеханические, электронные устройства основаны на трансформаторной технологии стабилизации. Схема их работы включает автотрансформатор, коммутирующее устройство (реле, сервопривод или полупроводниковые ключи) и плату управления.
При изменении параметров сети данные стабилизаторы автоматически перемещают свой коммутационный элемент на необходимую секцию обмотки трансформатора, за счет чего на нагрузку подается выходное напряжение со значением, максимально приближенным к номинальному. Чем больше витков у трансформатора, тем точнее будет значение напряжения на выходе.

Однако за счет такой схемы работы трансформаторные стабилизаторы имеют следующие ограничения: они не способны выполнять коррекцию искажений сети, часто имеют медленную скорость реакции на сетевые перепады (у электромеханических моделей она может доходить до 100 мс), невысокую точность стабилизации и узкий диапазон напряжений, в котором они могут функционировать (в среднем он составляет 130-270 В). В связи с этим такие приборы не могут применяться в следующих случаях:

если в электросети происходят частые и значительные перепады напряжения;
если присутствует нагрузка, работа которой сильно зависит от качества электросети, например, система отопления, компьютерная техника, холодильник.

Регуляторы напряжения на основе инвертора

Инверторные стабилизаторы основаны на бестрансформаторной технологии двойного преобразования электроэнергии. В их составе отсутствует трансформатор и какие-либо коммутирующие элементы, а вместо них установлен выпрямитель, конденсатор, инвертор и микропроцессор.

Принцип работы инверторных моделей заключается в том, что нестабильное сетевое напряжение поступает на выпрямитель и трансформируется в постоянное, затем оно накапливается в конденсаторе и переводится с помощью инвертора обратно в переменное. За счет двойного преобразования выходное напряжение приобретает эталонные технические характеристики, полностью независящие от их значения во входной сети. Благодаря накопленной в конденсаторе энергии данные устройства способны мгновенно стабилизировать даже самые резкие и значительные сетевые перепады, а также защищать нагрузку от кратковременных пропаданий напряжения в сети (до 200 мс). У инверторных стабилизаторов самый большой диапазон напряжений, в которых они могут работать (90-310 В). При этом на нагрузку они всегда подают сигнал высокой точности и идеальной синусоидальной формы.

Данные изделия эффективно защищают любую электрочувствительную технику и пригодны для работы в загородных и сельских сетях, в которых наиболее часто встречаются проблемы с перепадами напряжения.

Регулировка

Стоит понимать, что регулировка устройства не зависит от формы входного сигнала. По типу размещения устройства делятся на стационарные и мобильные.

Различия очевидны, первый вид надежно прикреплен к какому-то определенному месту.
Второй вариант наоборот, имеет возможность находиться в любом месте, где это будет удобно мастеру.

Устройство по регулированию напряжения в настоящее время представляет собой электросхему, благодаря ей становится возможным регулирование напряжения в том или ином здании, если все правильно подключить.

Где купить регуляторы напряжения?

Купить качественный инверторный регулятор напряжения для домашних электроприборов можно в нашем официальном интернет-магазине или на сайтах наших партнеров.

Наш интернет-ресурс обладает полной информацией по каждой модели стабилизатора, включая описание технических характеристик, особенностей работы, дополнительного функционала и сфер применения. В карточке каждого товара есть реальные отзывы пользователей о работе оборудования.

Заказать изделия могут как физические, так и юридические лица. При оформлении заказа можно выбрать удобный способ оплаты или оформить кредит. Для выбора доступны как самовывоз, так и быстрая курьерская доставка в любой город России с помощью ведущих транспортных компаний.

Если для подбора оборудования информации недостаточно, то можно обратиться за консультацией к специалистам нашей компании в онлайн-чате, по электронной почте или телефону.

В) Защита от перегрева

В случае если тиристорный регулятор установлен в плохо вентилируемом месте, при длительной перегрузке или если затруднен отвод выделяющегося тепла (например, при отказе вентиляторов обдува) радиатор охлаждения может нагреться до высокой температуры 90..100 С. Дальнейшее нарастание температуры может привести к выходу тиристоров из строя и даже возгоранию. Для предотвращения этого на радиатор устанавливается датчик температуры, по сигналу с которого система управления обесточивает нагрузку.

Фото самодельного регулятора мощности

Поделитесь с друзьями

Безопасность и надежность управления

Практически все тиристорные контроллеры мощности, которые Вы можете заказать в нашей компании, оснащены встроенными быстроплавкими предохранителями, что положительно сказывается на надежности и безопасности. Несмотря на неоспоримые плюсы, предохранители имеют существенный недостаток — одноразовость использования. После сработанной защиты необходимо вскрывать корпус регулятора для ручной смены предохранителей. Данный недостаток компенсируется опцией «электронный ограничитель тока». Электронное ограничение тока является многоразовой автоматической защитой с максимально высоким быстродействием, а режим программирования позволяет установить порог срабатывания на любом уровне. При этом электронный ограничитель не заменяет, а дополняет предохранители. Также повышают надежность и безопасность работы не только самого регулятора, но и всего технологического процесса аварийные извещатели, которые своевременно оповестят о коротком замыкании, потере фазы, превышении допустимой температуры или превышении допустимого тока.

Методы регулирования мощности

Описывая работу регулятора мощности, невозможно не обратить внимание на такой важный параметр как метод регулирования ( режим коммутации силовых тиристоров ). Купить тиристорный регулятор мощности Вы можете со следующими основными режимами управления: числоимпульсное, пакетная коммутация, пакетная коммутация с плавным пуском, фазовая коммутация, фазовая коммутация с плавным пуском. Каждый метод имеет свои плюсы и минусы, поэтому выбор режима важен и подбирается индивидуально из учета особенностей технологического процесса производства. Подробнее режимы коммутации рассмотрены в статье «Методы регулирования», также Вам всегда будут рады помочь наши специалисты.