Наиболее часто на практике используется четыре схемы подключения нагрузок к тиристорному регулятору: звезда, треугольник, звезда с рабочей нейтралью и разомкнутый треугольник.
Схемы подключения звезда и треугольник приведены на рисунке 1.
Рисунок 1 Подключение нагрузки к трехфазному тиристорному регулятору по схемам звезда и треугольник
Основное достоинство этих двух схем – простота и минимальное количество силового провода, за счет чего они и получили наиболее широкое распространение. При соединении нагрузки звездой максимальное напряжение на нагрузочном сопротивлении равно фазному напряжению Uф, а при соединении треугольником – линейному Uл. Соответственно, звездой соединяют нагрузку, рассчитанную на напряжение 220 В, а треугольником – 380 В.
Кривая тока, протекающего по фазному проводу изображена на рисунке 2.
Рисунок 2 Кривая тока в фазах при соединении звездой или треугольником, активная нагрузка
Однако у простоты схемы есть обратная сторона медали – напряжения на нагрузочных сопротивлениях распределяются поровну только при условии строго равенства фазных напряжения (Uа = Ub = Uс) и равенства сопротивлений нагрузок (Ra = Rb = Rc или Rab = Rbc = Rca). Как правило, на практике это условие почти никогда не выполняется и возникает небаланс напряжений: на разных сопротивления нагрузки при полностью включенных тиристорах устанавливаются неравные напряжения, например, на одном сопротивлении 210 В, на другом 215 В, на третьем 230 В.
В большинстве своем эти небалансы невелики: разброс по напряжению невелик и составляет не больше 4-8%, что вполне допустимо. Но иногда при неудачном соотношении параметров – сильном «перекосе» фаз с одновременно неравными сопротивлениями нагрузки — напряжения могут распределиться с большим разбросом, например 190, 220 и 250 В. Это ведет к неравномерному износу ТЭНов и преждевременному выгоранию одного из них.
Довольно часто бывает, что в одной из фаз постоянно выгорает ТЭН неизвестно от чего. Обычно это является следствием выше описанного явления.
В схемах подключения звезда с рабочей нейтралью и разомкнутый треугольник (рисунок 3) это явление проявляется гораздо меньшей степени.
Рисунок 3 Подключение нагрузок по схемам звезда с рабочей нейтралью и разомкнутый треугольник
При подключении нагрузки по схеме звезда с нулем максимальное напряжение на нагрузочном сопротивлении равно фазному напряжению сети, при этом ток каждой фазы определяется лишь напряжением фазы и сопротивлением нагрузочного резистора, включенного в эту фазу, и не зависит напряжений других фаз и от сопротивлений остальных нагрузочных сопротивлений, то есть Ia = Ua / Ra, Ib = Ub / Rb, Ic = Uc / Rc.
Другое важное свойство схемы – возможность выравнивания токов, напряжений и мощностей на нагрузочных сопротивлениях в случае «перекоса» фаз питающей сети. Например, тиристорный регулятор ТРМ-С может автоматически корректировать напряжение на нагрузке таким образом, чтобы на каждом сопротивлении нагрузки выделялась равная мощность. Это способствует продлению срока службы ТЭНов, а также энергосбережению – за счет устранения перекосов по фазам достигается дополнительная экономия электроэнергии 1-3%.
Еще один плюс этой схемы – это меньший уровень излучаемых электромагнитных помех.
Все выше сказанное также верно и для схемы разомкнутого треугольника, с той лишь разницей, что максимальное напряжение на нагрузочных сопротивлениях равно линейному, а ток нагрузки определяется линейным напряжением Iab = Uab / Rab, Ibc = Ubc / Rbc, Ica = Uca / Rca.
Недостатков у схемы звезда с нейтралью два. Первый – это необходимость подключения нулевого провода, что на практике иногда бывает затруднительно. Например, у нагревательного аппарата может быть сделано три вывода для подключения фазных проводов, а общая точка звезды – внутри аппарата и недоступна для подключения. В этом случае реализовать подключение по схемы звезды с нейтралью невозможно.
Второй недостаток – это протекание тока через нейтраль при фазо-импульсном управлении даже при полностью равных сопротивлениях нагрузки и фазных напряжениях, что проиллюстрировано на рисунке 4: в верхней его части изображены кривые токов, протекающие по фазам А, В и С, а внизу – ток в нулевом проводе.
Рисунок 4 Протекание тока через нулевой проводник
При этом величина тока в нулевом проводе может быть в 1,5-2 раза больше чем ток в фазах. Это приводит к необходимости прокладки нулевого проводника увеличенным сечением, что, разумеется, увеличивает и стоимость кабельных линий. Незнание или недооценка же этого явления приводит к постепенному выходу из строя нейтрального провода.
Это иногда вызывает удивление: казалось бы, напряжения фаз равные, сопротивления фаз равные, откуда ток в нуле?! Но объясняется это явление просто. Дело в том, что при фазо-импульсном управлении тиристорами форма тока становится не синусоидальной и поэтому не происходит полной компенсации токов в нулевом проводе, как при питании трехфазной нагрузки синусоидальным током.
Отсюда вывод – чтобы ток в нулевом проводе был минимальный необходимо использовать управление пропуском периодов. В этом случае токи фаз будут синусоидальны, а значит ток в нейтрали будет определятся лишь небалансом напряжений фаз и сопротивлений. Практически, это приводит к тому, что ток в нуле становится не больше 10% от тока фазы.
Напоследок, рассмотрим схему соединения разомкнутый треугольник. У схемы есть замечательное свойство – тиристоры при таком соединении коммутируют не фазные токи, а линейные, которые меньше в 1,73 раза. Например, если ток фазы составляет 650 А, то токи в линейных проводах составляют Iл = 650 / 1,73 = 380 А. По сравнению со схемой соединения обычным треугольником, это дает возможность приобретать тиристорный регулятор на меньший номинальный ток, который соответственно дешевле и меньше в габаритах. Это показано на рисунке 5. В верхней части рисунка нагрузка соединена треугольником, при этом через тиристоры протекают токи 650 А, а значит необходимо приобретение тиристорного регулятора номинальным током не менее 700-800 А. А в нижней части нагрузка соединена разомкнутым треугольником, при этом по фазам протекает такой же ток 650 А, но поскольку тиристоры коммутируют ток 380 А, то достаточно иметь тиристорный регулятор с номинальным током 400-500 А, что в 1,5-2 раза дешевле.
Рисунок 5 Сравнение схем треугольник и разомкнутый треугольник
Жаль, но несмотря на такое преимущество, эта схема не получила большого распространения. Почему? Первое, как и для звезды с нейтралью, для реализации такой схемы подключения должны быть доступны оба конца выводов нагрузок, что опять же не всегда возможно. Например, у трансформатора, первичная обмотка которого соединена треугольником чаще всего выведена только три конца, а вторые три спрятаны внутри. Второе – это увеличенная стоимость кабельного хозяйства – посмотрите внимательно на рисунок 5: при соединении разомкнутым треугольником требуется дополнительный силовой кабель ( «обратный» кабель от нагрузки). Учитывая высокую стоимость кабелей, можно сказать, что такая схема целессобразно лишь при небольшой длине кабельных линий до 20-30 метров при прокладке медным кабелем и до 50-70 метров при прокладке алюминиевым. При большой длине экономия, полученная от приобретения более дешевого регулятора обнуляется за счет более высокой стоимости кабельного хозяйства.
