W kolejnej części z cyklu artykułów na temat regulacji prędkości obrotowej wentylatorów omówiona została zasada działania regulatorów tyrystorowych. Przedstawione zostały reguły ich doboru w sterowaniu indywidualnym i grupowym, wady i zalety omawianych urządzeń oraz ich zastosowanie.

Regulacja obrotów silnika polega na wymuszonej zmianie jego prędkości obrotowej, niezależnie od naturalnej zmiany tej prędkości w funkcji momentu obciążenia. Wymagania stawiane silnikowi elektrycznemu przy regulacji prędkości obrotowej dotyczą:

• zakresu regulacji,
• ciągłości regulacji,
• ekonomiki regulacji.

Zakres regulacji

Regulatory tyrystorowe przeznaczone są do elektronicznej, bezstopniowej (płynnej) regulacji prędkości obrotowej silników wentylatorów jednobiegowych (o stałej liczbie biegunów magnetycznych) sterowanych napięciowo. Regulację tę osiąga się poprzez obniżanie napięcia zasilającego metodą cięcia fazy przy pomocy triaków, należących do rodziny tyrystorów.

Triak jest elementem półprzewodnikowym. Pod względem funkcjonalnym stanowi odpowiednik przeciwsobnego połączenia równoległego dwóch tyrystorów.

Jako element o strukturze n-p-n-p-n wyposażony jest w 3 elektrody: dwie anody A oraz bramkę G (gate). W obszarze typu n (negative) nośnikami większościowymi są elektrony o ładunku elektrycznym ujemnym. Analogicznie w obszarze typu p (positive) nośnikami większościowymi są dziury o ładunku elektrycznym dodatnim.

W stanie równowagi termodynamicznej tj. bez oddziaływania zewnętrznego pola elektrycznego, w obszarze styku struktur p i n swobodne nośniki większościowe przemieszczają się (dyfundują), co spowodowane jest różnicą ich koncentracji. Gdy elektrony przemieszczą się do obszaru typu p, natomiast dziury do obszaru typu n (stając się wówczas nośnikami mniejszościowymi) dochodzi do rekombinacji koszelektronu z dziurą, w wyniku czego następuje redukcja nośników swobodnych po obu stronach złącza oraz pojawienie się nieruchomych jonów: ujemnych akceptorów i dodatnich donorów. Jony te wytwarzają pole elektryczne, które zapobiega dalszej dyfuzji nośników. Warstwa w pobliżu złącza, praktycznie nie posiadająca swobodnych nośników, nazywana jest warstwą zubożoną lub zaporową.

Jeśli do złącza zostanie przyłożone napięcie zewnętrzne, wówczas równowaga zostanie zaburzona. W zależności od biegunowości napięcia zewnętrznego rozróżnia się dwa rodzaje polaryzacji złącza:

• w kierunku przewodzenia (dodatni biegun napięcia jest dołączany do obszaru p),
• w kierunku zaporowym (dodatni biegun napięcia jest dołączany do obszaru n).

Rys. 1. Triak a) uproszczona struktura blokowa, b) symbol

Bez względu na rodzaj polaryzacji dla większości złącz można przyjąć, że całe napięcie zewnętrzne odkłada się w obszarze zubożonym. Załączenie bramki w triakach, w przeciwieństwie do podstawowych tyrystorów następuje niezależnie od polaryzacji. Z tego względu wyróżniamy 4 stany pracy triaka:

• Stan I+: Elektroda A2 ma potencjał dodatni względem A1, elektroda B sterowana jest impulsami dodatnimi,
• Stan I-: Elektroda A2 ma potencjał dodatni względem A1, elektroda B sterowana jest impulsami ujemnymi,
• Stan III+: Elektroda A2 ma potencjał ujemny względem A1, sterowanie impulsami dodatnimi,
• Stan III-: Elektroda A2 ma potencjał ujemny względem A1, sterowanie impulsami ujemnymi.

Numery stanów odpowiadają numerom ćwiartek na wykresie charakterystyki prądowo- napięciowej. Optymalne warunki sterowania uzyskuje się dla stanów I+ i III-, tzn. przy sterowaniu impulsami o zmiennej polaryzacji, przy czym dodatni impuls bramkowy pojawia się przy dodatnim napięciu na elektrodzie A2.

Wykorzystując pracę triaków w obu kierunkach polaryzacji, stworzono regulatory bezstopniowe pozwalające na dowolne ustawienie punktu pracy wentylatora.

Należy jednak pamiętać, że niektóre wentylatory wymagają minimalnego sprężu (przeciwciśnienia) dla poprawności pracy. Praca w obszarze nie zalecanym spowoduje przeciążenie silnika wentylatora i w efekcie jego przegrzewanie się. Dodatkowym efektem jest hałaśliwa praca jednostek.

Wykonanie obudowy regulatora występuje przeważnie w wersji podtynkowej i natynkowej. Do obsługi regulatora służy bezstopniowe pokrętło. Wewnątrz urządzenia znajduje się śruba regulacyjna do nastawienia minimalnej prędkości obrotowej wentylatora.

Wszystkie regulatory tyrystorowe mogą powodować hałas silnika przy niskiej prędkości obrotowej. Nie zaleca się zatem obniżania prędkości obrotowej poniżej 50% wartości nominalnej lub 80V. Dodatkowo bardzo ważne jest, aby napięcie minimalne na wyjściu z regulatora nie było mniejsze niż napięcie minimalne wymagane przez silnik – zbyt niskie prowadzi do uszkodzenia silnika. Obniżanie napięcia metodą cięcia fazy powoduje podwyższenie hałasu wentylatora, tzw. przydźwięk sieciowy. Zjawisko to nie ma miejsca przy stosowaniu regulatorów transformatorowych.

Zasada doboru (...)

Sterowanie grupowe (...)

Wady i zalety (...)