Введение

Фазовое управление (PFC), также называемое фазовым регулированием или управлением фазовым углом, — это метод ограничения мощности, применяемый к переменному напряжению. Он работает путем включения и выключения тиристора, SCR, триака, тиратрона или других подобных управляемых диодов в определенной фазе приложенной формы сигнала.

Обзор

Фазовое управление (PFC) часто используется для регулирования количества напряжения, тока или мощности, подаваемых источником питания на нагрузку. Это делается для формирования среднего значения на выходе. Если источник питания выдает постоянный ток, его временная база не имеет значения при определении момента включения или выключения, поскольку значение, которое включается и выключается, является непрерывным. PFC отличается от широтно-импульсной модуляции (ШИМ) тем, что применяется к источникам питания, выдающим модулированную форму сигнала, например, синусоидальную форму переменного тока, генерируемую электросетью. В этом случае становится важным, чтобы источник питания включался и выключался в правильной фазе цикла модуляции для достижения заданного значения; например, контроллер может включаться в пике формы сигнала или в его нулевой точке, если не учитывать временную базу цикла. Фазовые контроллеры получили свое название от того факта, что они генерируют импульс выходного сигнала в определенной фазе цикла модуляции входного сигнала. По сути, PFC – это контроллер, способный синхронизироваться с модуляцией, присутствующей на входе. Большинство фазовых контроллеров используют тиристоры или другие твердотельные переключающие устройства в качестве управляющих элементов. Контроллеры на основе тиристоров могут использовать тиристоры с принудительным выключением (GTO), позволяющие контроллеру не только определять момент включения, но и момент выключения выходного сигнала, а не ждать следующего перехода через ноль.

Сокращение выпуска за счет откидывания

Фазовый контроллер, подобно импульсному источнику питания с понижающей топологией, способен выдавать выходное напряжение, не превышающее входное, за вычетом потерь в управляющих элементах. Если модуляция в течение каждого цикла предсказуема или повторяется, как это и происходит в сети переменного тока, для получения выходного напряжения ниже входного, фазовый контроллер просто отключается на определенный фазовый угол цикла входной модуляции. Включая устройство в проводящее состояние при фазовом угле, большем нуля градусов – то есть, после начала цикла модуляции – на выходе присутствует лишь часть полной энергии каждого цикла.

"Усиление" путем снижения

Для достижения эффекта "усиления", схемы PFC должны быть рассчитаны с запасом по мощности, чтобы максимальное значение на входе было выше номинальных требований к выходной мощности. Когда питание включается впервые или работает в нормальном режиме, контроллер постоянно подает менее 100% от своего максимального входного сигнала. Когда требуется усиление, контроллер подает процент, близкий к 100% от максимально доступного входного сигнала. Важен расчет с запасом по мощности для фазовых контроллеров, работающих от сети, поскольку они часто используются для управления резистивными нагрузками, такими как нагревательные элементы. Со временем сопротивление нагревательных элементов может возрастать. Чтобы учесть это, фазовый контроллер должен иметь возможность обеспечивать определенный запас напряжения для поддержания того же тока нагрева через элемент. Достичь этого можно только путем намеренного проектирования источника питания таким образом, чтобы он потреблял менее 100% цикла модуляции входного сигнала при первоначальной установке элементов, постепенно увеличивая потребление до 100% цикла модуляции входного сигнала по мере старения элементов.

Приложения

Наиболее распространенное применение – в диммерах для управления освещением в бытовых условиях. Ранее для промышленных применений в качестве источника питания для подобных элементов использовались чрезвычайно дорогие и тяжелые трансформаторы с несколькими отводами, при этом соответствующий отвод подключался к элементу для достижения необходимой температуры. Это ограничивало температурное разрешение количеством доступных комбинаций отводов. Такие контроллеры часто используются в оборудовании, как, например, электрические печи и муфельные печи. В современном, как правило, мощном оборудовании трансформатор заменяется фазовыми регуляторами, подключающими нагрузку непосредственно к сети, что приводит к значительно более дешевой и легкой системе. Однако данный метод обычно применяется только в оборудовании, без которого его использование было бы нецелесообразным. Это связано с тем, что исключение сетевого трансформатора означает наличие электрической связи между нагрузкой и входом сети. Для промышленных печей и муфельных печей входным сигналом часто является переменный ток национальной электросети, которая сама по себе электрически заземлена. Поскольку выход контроллера также заземлен, пользователю достаточно коснуться земли и одного из выходных контактов, чтобы подвергнуться риску поражения электрическим током. Учитывая, что многие мощные устройства работают от трехфазного напряжения 415 В с высокими входными токами и имеют заземленные корпуса или каркасы, это представляет собой серьезную опасность, которую необходимо тщательно оценивать.

История

Первый патент на фазовые контроллеры датируется 1912 годом. Однако практическая реализация стала возможной только в 1920-х годах, с появлением ртутных дуговых выпрямителей с управляющими сетками. Из-за ограничений, присущих ртутным дуговым выпрямителям, этот метод регулирования напряжения в то время не получил широкого распространения. Он стал широко использоваться с изобретением твердотельных тиристоров в конце 1950-х годов.