Характеристики на схемите за свързване на товари към тиристорен регулатор

13 май 2013 г. в 14:25 ч. 1003 г.

Най-често на практика се използват четири вериги за свързване на товари към тиристорен регулатор: звезда, триъгълник, звезда с работеща неутрална и отворена делта.

Схеми на свързване звезда и триъгълник са показани на фигура 1.

Фигура 1. Свързване на товара към трифазен тиристорен контролер в схеми звезда и триъгълник

Основното предимство на тези две схеми е простотата и минималното количество захранващ проводник, поради което те са най-широко използвани. Когато товарът е свързан със звезда, максималното напрежение на съпротивлението на товара е равно на фазовото напрежение Uf, а когато е свързано с триъгълник, то е линейно Ul. Съответно, товар, проектиран за напрежение от 220 V, е свързан със звезда и триъгълник за 380 V.

Кривата на тока, протичащ през фазовия проводник, е показана на фигура 2.

Фигура 2. Крива на тока във фази със звезда или триъгълна връзка, резистивен товар

Простотата на веригата обаче има и другата страна на монетата - напреженията в съпротивленията на товара се разпределят еднакво само при условие на строго равни фазови напрежения (Uа = Ub = Uс) и равенство на съпротивленията на натоварване (Ra = Rb = Rc или Rab = Rbc = Rca). Като правило на практика това условие почти никога не е изпълнено и възниква дисбаланс на напрежението: неравномерни напрежения се задават при различни съпротивления на натоварване с напълно включени тиристори, например при едно съпротивление 210 V, при друго 215 V, на трето 230 V.

В по-голямата си част тези дисбаланси са малки: напрежението е малко и е не повече от 4-8%, което е напълно приемливо. Но понякога при неуспешно съотношение на параметрите - силен "дисбаланс" на фази с едновременно неравномерни съпротивления на натоварване - напреженията могат да бъдат разпределени с широко разпространение, например 190, 220 и 250 V. Това води до неравномерно износване на нагревателните елементи и преждевременно изгаряне на един от тях.

Доста често се случва, че в една от фазите нагревателният елемент постоянно изгаря, не се знае от какво. Това обикновено е следствие от горното явление.

В схеми на свързване звезда с работеща неутрална и отворена делта (Фигура 3) това явление е много по-слабо изразено.

Фигура 3. Свързване на товари според звездата с работещи неутрални и отворени делта вериги

Когато товарът е свързан съгласно схемата звезда-нула, максималното напрежение на съпротивлението на товара е равно на фазовото напрежение на мрежата, докато токът на всяка фаза се определя само от фазовото напрежение и съпротивлението на товарния резистор свързан към тази фаза и не зависи от напреженията на други фази и от съпротивленията на останалите съпротивления на натоварване, т.е. Ia = Ua/Ra, Ib = Ub/Rb, Ic = Uc/Rc.

Друго важно свойство на веригата е способността за изравняване на токове, напрежения и мощности при товарните резистори в случай на "изкривяване" на фазите на захранващата мрежа. например, тиристорен регулатор на тока TRM-S може автоматично да регулира напрежението в товара, така че да се генерира еднаква мощност при всяко съпротивление на товара. Това допринася за удължаване на експлоатационния живот на нагревателните елементи, както и за спестяване на енергия - поради премахването на фазовите дисбаланси, допълнителен икономия на енергия 1-3%.

Друг плюс на тази схема е по-ниското ниво на излъчени електромагнитни смущения.

Всичко по-горе важи и за отворената верига на триъгълника, с единствената разлика, че максималното напрежение на товарните резистори е равно на линейното напрежение, а токът на натоварване се определя от напрежението на линията Iab = Uab/Rab, Ibc = Ubc/Rbc, Ica = Uca/Rca.

Има два недостатъка на звездно-неутралната верига. Първият е необходимостта от свързване на неутрален проводник, което на практика понякога е трудно. Например отоплителното устройство може да има три изхода за свързване на фазови проводници, а обща звездна точка е вътре в устройството и не е налична за свързване. В този случай е невъзможно да се осъществи звездна връзка с неутрален.

Вторият недостатък е потокът на ток през неутралата по време на фазово-импулсното управление дори при напълно еднакви съпротивления на натоварване и фазови напрежения, което е илюстрирано на фигура 4: в горната му част кривите на токове, протичащи през фази A, B и C са показани, а отдолу е токът в нулевия проводник.

Фигура 4. Поток на ток през нулевия проводник

В този случай стойността на тока в нулевия проводник може да бъде 1,5-2 пъти повече от тока във фазите. Това води до необходимостта от полагане на неутралния проводник с увеличено напречно сечение, което, разбира се, увеличава цената на кабелните линии. Невежеството или подценяването на това явление води до постепенно повреждане на неутралния проводник.

Това понякога е изненадващо: изглежда, че фазовите напрежения са равни, фазовите съпротивления са равни, откъде идва токът?! Но това явление се обяснява просто. Факт е, че с фазово-импулсно управление на тиристорите, формата на тока става несинусоидална и следователно няма пълна компенсация на токовете в неутралния проводник, както когато трифазен товар се захранва със синусоидален ток.

Оттук и заключението - за да бъде токът в нулевия проводник минимален, е необходимо да се използва контролът на периодите на пропускане. В този случай фазовите токове ще бъдат синусоидални, което означава, че токът в неутралата ще се определя само от дисбаланса на фазовите напрежения и съпротивления. На практика това води до факта, че токът при нула става не повече от 10% от фазовия ток.

И накрая, помислете за схемата за свързване с отворен триъгълник. Схемата има забележително свойство - при такава връзка тиристорите превключват не фазови токове, а линейни, които са 1,73 пъти по-малко. Например, ако фазовият ток е 650 A, тогава токовете в линейните проводници са Il = 650/1,73 = 380 A. В сравнение със схемата за свързване с обикновен триъгълник, това дава възможност да се закупи тиристорен регулатор за по-ниска номинален ток, който съответно е по-евтин и с по-малък размер. Това е показано на фигура 5. В горната част на фигурата натоварването е свързано с триъгълник, докато през тиристорите протичат токове от 650 А, което означава, че е необходимо да се закупи тиристорен регулатор с номинален ток от при най-малко 700-800 А. фазира същия ток от 650 А, но тъй като тиристорите превключват ток от 380 А, достатъчно е да имате тиристорен регулатор с номинален ток 400-500 А, което е 1,5-2 пъти по-евтино.

Фигура 5. Сравнение на вериги с триъгълник и отворен триъгълник

Жалко, но въпреки подобно предимство, тази схема не е получила широко разпространение. Защо? Първо, що се отнася до звезда с неутрално положение, двата края на товарните проводници трябва да са достъпни за изпълнение на такава схема на свързване, което отново не винаги е възможно. Например в трансформатор, чиято първична намотка е свързана с триъгълник, най-често се извеждат само три края, а вторите три са скрити вътре. Второто е увеличените разходи за окабеляване - погледнете внимателно Фигура 5: отворената делта връзка изисква допълнителен захранващ кабел („връщащ“ кабел от товара). Имайки предвид високата цена на кабелите, можем да кажем, че подобна схема е препоръчителна само при къса дължина на кабелната линия до 20-30 метра при полагане с меден кабел и до 50-70 метра при полагане с алуминий. За дълги периоди спестяванията, спечелени от закупуването на по-евтин регулатор, се обезсилват от по-високите разходи за управление на кабели.