Реверсивный тиристорный преобразователь для электроприводов постоянного тока

Системы  управления,  в которых  управляющий сигнал имеет форму  импульса,  фазу  которого  можно  регулировать,   называют   импульсно-фазовыми.

Системы  управления  выполняют  по  синхронному и асинхронному принципам.

Синхронный принцип импульсно-фазового управления преобразова-телями является наиболее  распространенным.  Его  характеризует  такая функциональная связь узлов СУ, предназначенных для получения управ-ляющих  импульсов,  при которой синхронизация управляющих импуль-сов осуществляется напряжением сети переменного тока.

Асинхронные системы управления преобразователями применяются при существенных искажениях  напряжения питающей сети, в частности при значительной несимметрии трехфазных  напряжений  по  величине и фазе. Использование в таких условиях синхронной системы  невозможно ввиду  получающейся  недопустимой  асимметрии  в  углах по каналам управления  тиристорами.  Наиболее  распространены асинхронные СУ в преобразователях,  потребляющих  мощность, соизмеримую с мощнотью питающей сети. Из-за малой мощности электродвигателя (6,0 кВт) выби-раем синхронную систему управления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Существуют системы управления, построенные по горизонтальному и вертикальному принципу. Горизонтальное управление не нашло широ-кого  распространения,  так как мостовые  фазовращатели   критичны  к форме и частоте подаваемого напряжения.  Из-за  этого  выбираем систе-му управления, построенную по вертикальному принципу.

Функциональная схема СИФУ изображена на рис 3.1:

ИСН – источник  синхронизирующего  напряжения  ( трехфазный  

            трансформатор);

ГОН – генератор опорного (косиносуидального напряженя);

НО1, НО2 -  нульорган;

УИ  – усилитель импульсов;

ВУ –  выходное устройство;

ФИ -  формирователь импульсов;

УО -  управляющий орган.

 

 

 

 

 

 

                                                     

              4. Расчет и выбор основных элементов системы импульсно-

       фазового  управления ( СИФУ) преобразователя.

 

По [7, табл. 3.1,3.2] выбираем цифровые микросхемы:

 

К561 ЛЕ5 – микросхема содержит 4 элемента 2 ИЛИ-НЕ

Параметры микросхемы:

Uвых =2,9В; Uвых =7,2В; Iвых =0,6мА; Iвых =0,25мА.

 

К561ЛА7 – микросхема содержит 4 элемента 2И-НЕ

Параметры микросхемы:

Uвых =2,9В; Uвых =7,2В; Iвых =0,45мА; Iвых =0,55мА.

Используя [8, стр.235] выбираем аналоговую микросхему                 

 

КМ 157 УД 2 – микросхема содержит 2 ОУ

Параметры микросхемы:

Uнас=13В;  Iвых 10мА

Далее  в  расчетах сопротивления  на входе ОУ будем выбирать из диапазона: кОм.

                   

               

                   

 

 

 

 

 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              4.1. Расчет и выбор генератора  опорного напряжения.

 

Для работы СИФУ используется косинусоидальное опорное напря-жение, максимальное значение которого находится в точках естествен-ной коммутации вентилей.

Генератор опорного косинусоидального напряжения (рис 4.1) состо-ит  из  трансформатора  синхронизации, действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки которого равно U2T=12В,  и инвертиру-ющего   усилителя (создан на основе  операционного усилителя).

Чтобы   добиться того,  чтобы   максимальное  значение  опорного напряжения  находилось в  точках  естественной  коммутации  вентилей,

берем напряжение  последующей  фазы трансформатора синхронизации  и инвертируем его с помощь инвертирующего  усилителя.  Этим   дости-гается   нужный  сдвиг  косинусоиды   на   .

         

    Рис 4.1. Электрическая схема генератора опорного напряжения.

        Выбираем  R3=R4=15кОм,  чтобы коэффициент передачи  на  ОУ был равен единице.

Амплитудное значение  опорного напряжения на входе инвертора должно  быть  Uоп=(1,1..1,2)Uзад max=12В, т.к. Uзад max=10В. Для этого на входе инвертора ставим делитель  напряжения (R1, R2).  Тогда коэффициент передачи делителя напряжения:

                              

Так как делитель напряжения является источником по отношению   к  инвертирующему усилителю, то должно выполняться условие:       

        R1+R2<<R3

Выбираем R2=470Ом.

Из соотношения  получаем:

                         Ом

Принимаем из стандартного ряда =330 Ом.

                                 4.2.Расчет и выбор нуль-органа

 

        С  помощью   нуль-органа  опорное  напряжение  генератора сравни-вается с управляющим  напряжением Uупр  преобразователя.  Когда опор-ное напряжение в (процессе его увеличения или уменьшения) достигает напряжения  Uупр  на  выходе   нуль-органа  возникает  импульс, который поступает на формирователь отпирающих импльсов.

        Принципиальная  электрическая схема нуль-органа  представлена на        рис 4.2.

 

                         

                                               Рис.4.2. Электрическая схема нуль-органа.

Выбираем  R5=R6=10кОм.

Амплитудное   значение   опорного    напряжения  и   максимальное напряжение управления равны 10В. Поэтому максимальное значение их разности  составляет  22В и для  защиты ОУ ставим два диода, включен-ных  встречно-параллельно.  Выбор  диодов  производим  по максималь-ной величине обратного напряжения с коэффициентом запаса равным 2:       

                                Uд обр max В,

И величине прямого тока диодов:

                                      

Выбираем по [9] выбираем диоды КД 521А.

Параметры выбранного диода:

   Uд обр max=75В Iпр max =50 мА.

            4.3. Расчет и выбор формирователя длительности импульсов     

                    и элементов согласования с логикой.  

 

Формирователь длительности импульсов  служит для формирования отпирающих импульсов определенной длины, которые  после усилителя поступают на управляемый тиристор.

Принципиальная электрическая  схема формирователя длительности импульсов и элементов согласования с логикой представлена на рис.4.3.

                                                                                                             

                                      Рис.4.3. Формирователь длительности импульсов.

Формирователь  импульсов  собран  на  ОУ А 2.1.  Он представляет собой    дифференцирующее   с   замедлением   звено, который описыва-ется уравнением :

                                        ,

где  , -постоянные времени.

Вход  данной цепи подключен к нуль-органу и переход напряжения на входе составляет Uвх= Uоу нас= В.

Величину  напряжения импульса примем равным Uи=8В.

Для  нормального  открывания  тиристоров необходимо обеспечить длительность импульса .

Время импульса составляет:

     мс.

Принимаем =0,5мс.

Скачек  напряжения на выходе формирователя  длительности импуль-сов в момент переключения нуль-органа примем: Uи max=12В.

В начальный момент времени t=0, подставив в переходную функцию получим:

Uвх;

Отсюда,

Uи max/ Uвх=12/26=0,46.

Далее, подставляя в соотношение 

Uвых= Uвх значения Uвых=Uи=8В; Uвх= Uвх=26В; =0.46 и время t=tи=0,5мс, находим T2:

               мс.

Принимаем величину С1=100нФ. Тогда сопротивление R7:

                        кОм.

Принимаем ближайшее стандартное =12кОм.

Из соотношения 

  получаем  кОм.

Принимаем ближайшее стандартное  =5,6кОм.

Из критерия величины нагрузки для  ОУ выбираем R9=15кОм.

Принимаем  напряжение  стабилизации  стабилитрона VD3 Ucт=10В для согласования формирования длительности импульсов с логическими элементами.  По  [9]  выбираем  стабилитрон  КС 210 Ц  с   напряжением стабилизации Ucт=10В.

Выбираем  величины  сопротивлений   инвертирующего   усилителя, собранного на ОУ DА2.2, исходя из того, что необходимо получить коэф-фициент передачи равный единице. Принимаем R10=R11=10кОм.

          4.4. Расчет  и выбор усилителя импульсов.

 

Мощность  сигнала, получаемого из выхода формирователя  длите-льности  импульсов  мала.  Усилитель  импульсов   предназначен   для усиления импульсов перед их подачей в цепь управляющего электрода силового тиристора.

Принципиальная  электрическая  схема усилителя  импульсов пред-ставлена на рис.4.4.

                       Рис.4.4. Электрическая схема усилителя  импульсов.                                       

На  схеме (рис.4.4) обозначен:

Т3-импульсный трансформатор с числом витков w1=400 и w2=200. Исходя из этого коэффициент трансформации равен:

                                  

Величина напряжения импульса:

                                   В.

Используя табл.2.2 находим величину тока управления для силовых тиристоров: Iи=250мА.

На сопротивление цепи управления:

                        Ом.

Падение напряжения на управляющем  электроде VS1.1 из табл. 2.2 Uос,и =0,7В, отсюда находим сопротивление:

                        Ом.

Для ограничения тока при открытом транзисторе VS1.1 необходимо сопротивление:

                       R15= - =48-5,6=42,4Ом.

Принимаем из стандартного ряда R15=43Ом.

Выбираем стабилитрон VD6 по требуемому напряжению стабилизации 12В из [9]-Д-815Д , напряжение стабилизации которого Ucт=12В.

Выбираем диод VD7 по прямому току и обратному напряжению с коэффицентом запаса равным 2:

                              Uобр= В ,      Iпр=250мА,

по [9] выбираем диод серии КД 209А .

Параметры выбранного диода:

Uобр,max=400В, Iпр=700мА.

Находим ток первичной обмотки  трансформатора:

                       мА.

Требуемый коэффициент передачи базового тока транзисторов VT1, VT2:

                        ;

                        ,

где     - выходной ток элемента ИЛИ – НЕ, =0,25мА.

По [10] выбираем транзисторы-КТ 633Б с  параметрами :

       Iк=200мА,   =35, Uкэ нас=0,6В.

Пересчитываем базовый ток  VT1:

                 мА.

Расчитываем сопротивление R14:

                        Ом.

Выбираем  из стандартного ряда R3=110Ом.

Рассчитываем  сопротивление R12:

      кОм,

где     Uвх-напряжение на входе устройства равное Uвых элемента ИЛИ-НЕ, Uвых =7,2В;

           -базовый ток транзистора VT1, =0,2мА.

Для уменьшения начального тока коллектора транзистора VT2   между базой и эмиттером ставим сопротивление R13=1кОм.

Выбираем диод VD5 по обратному напряжению на нем с коэффициентом запаса равным 2:

                     Uобр= В.

По [9] выбираем КД 521А.

Параметры выбранного диода:

                                 Uд обр max=75В Iпр=50мА.

Для защиты   база - эмиттерного   перехода   транзистора  VT1 обратного напряжения ставим диод VD4, выбираем его по обратному напряжению с коэффициентом запаса равным 2:

                                 Uобр= В.

Ставим диод такой же серии как  и VD5.

                      4.5.Расчет и выбор управляющего органа.

 

Принципиальная схема управляющего  органа представлена на рис.4.5.

                               Рис.4.5. Электрическая схема управляющего органа.

 

На входе ограничителя, выполненного на операционном усилителе А3.1,  стоит  сопротивление  выхода регулятора тока якоря R16=5кОм и транзистор (от защиты).

Принимаем R17=15кОм. Тогда для обеспечения коэффициентов пе-редачи  сумматора равных единице должно выполняться условие:

                  кОм.

Далее аналогично выбираем:                              R21=R22=R24=10кОм.

Так как R18 и R22 – нагрузка для делителей R19 и R23, соответственно, то выбираем:

R18=R22=560Ом.

Стабилитроны VD7 и VD8 рассчитываются из условий ограничения управляющего  напряжения,  чтобы оно не превысило опорное напряже-ние,  и из  условия получения максимального и минимального  угла от-крывания тиристоров.

Принимаем , тогда:

                        В.

По [9] выбираем стабилитроны серии КС 191 Ц с напряжением стабилизациии Ucт ном=9,1В.  Учитывая падение   напряжения  на  втором стабилитроне, получаем Ucт=9,1+0,7=9,8В.

       Пересчитываем  угол:

                     .

                               4.6. Описание работы СИФУ.

 

Для работы СИФУ используется косинусоидальное опорное напря-жение,  максимальное  значение  которого  должно  находится  в точках естественнной коммутации вентилей.

Чтобы  добиться этого берем напряжение последующей фазы и ин-вертируем  его. Этим  достигается  нужный сдвиг  косинусоиды на  относительно напряжения  соответствующей фазы .

Каждый  из  формирователей  импульсов  вырабатывает импульсы для четырех  вентилей  (два вентиля в выпрямительной и два – в инвер-торной группах).

На  прямые  входы ОУ DA2.1 и DA2.2 поступает опорное напряже-ние,  на  инвертирующие   входы DA2.1– отрицательное   напряжение управления Uупр,  а на DA2.2 – положительное + Uупр. Когда напряже-ние управления  становится больше опорного  напряжения Uоп DA2.1 переключается с +Uнас  на – Uнас  и на  выходе DA3.1 появляется поло-жительный импульс.   Он  поступает на  DD1.1и при наличии сигнала разрешения   работы   вентилей   сигнал   поступает на DD3.1, далее с выхода DD4.1 поступает на усилитель импульсов. С последнего сигнал идет на тиристоры VS1.1и VS1.6.