Расчёт схемы управления тиристорным ключом

Вариант 28

Задача 1

1. Рассчитать полупроводниковую схему управления тиристорным силовым однофазным ключом регулятора мощности.

2. Выполнить схему регулятора мощности и описать его работу.

3. Построить временные диаграммы работы регулятора мощности для заданного режима.

Схема силового однофазного ключа —Тиристор – тиристор.

Угол управления α, эл. град —150.

Напряжение питания схемы управления, В —9.

Рис. 1.1. Схемы силовых однофазных ключей на тиристорах

Коэффициент трансформации импульсного трансформатора выбираем из неравенства

где — максимально допустимое напряжение управления тиристора; — напряжение спрямления; — напряжение питания схемы управления.

Берём

Рассчитываем ток в коллекторной цепи транзистора

где — максимально допустимый ток управления; – ток спрямления.

Принимаем

Исходя из этого значения и максимального напряжения коллектор-эмиттер, равного напряжению питания, выбираем транзистор КТ361А.

В качестве материала сердечника импульсного трансформатора выбираем феррит 2000НМ.

Определяем величину индуктивноститрансформатора

где — максимально допустимый импульсный коллекторный ток транзистора, мА; — ток управления тиристора; — длительность импульса соответственно управления, переднего и заднегофронтов, мкс.

Длительность открывающего импульса исключая длительность фронтов берём 20 мкс.

Выбираем марку магнитопровода для импульсного трансформатора и рассчитываем егогеометрические размеры

где для данного материала; — сопротивление входной цепи тиристора; — начальная магнитная проницаемость;

Число витков первичной обмотки трансформатора.

где μ — импульсная проницаемость материала.

Число витков вторичной обмотки трансформатора

Проверяем напряженность магнитного поля в сердечнике

Задаваясь числом импульсов, вырабатываемых схемой управления в течение полупериода напряжения питания m = 20…50, определяем действующее значение тока в первичной и вторичной обмотках трансформатора:

где Т — период работы схемы управления.

Входные параметры транзисторного ключа VТ3являются исходными данными длярасчета схемы сравнения на транзисторе VТ2. Определяем величину сопротивления резисторасвязи

где β — степень насыщения транзистора VТ3.

Емкость разделительного конденсатора, мкФ, определяем из условия минимальныхфазовых сдвигов

Отношение числа витков импульсного трансформатора Т1обычно принимается

Величину резистора R6определяем из условия допустимой нестабильности периодаследования импульсов Т

Емкость конденсатора определяем из условия обеспечения заданного периода следования импульсов

Индуктивность намагничивания импульсного трансформатора Т1получаем из уравнения

Величину резистора цепи термокомпенсации R₇выбирают из условия R₇>>r_б и обычнопринимают 1—2 кОм.

Емкость конденсатора С₃определяем из условия максимального шунтирования R_эприформировании импульса. При этом С₃должен успеть разрядиться за время паузы

Сопротивление резистора R₈

Сопротивление резистора R₁₀

Диоды VD1 и VD2 для повышения температурной стабильности схемы необходимовыбирать кремниевые. Выбираем диоды КД203.

Генератор пилообразного напряжения рассчитываем на основании следующих данных:

а) длительности пилообразного импульса Т_П;

б) максимальной амплитуды пилообразного импульса U_{n макс};

в) заданного коэффициента нелинейности пилообразного напряжения ( δ_зад.= 10 %).

При выключенном тиристоре VS1 конденсатор С1 заряжается до максимальногонапряжения

Ток заряда конденсатора

Максимальная амплитуда пилообразного напряжения при t = Т_П

Оптимальное условие работы схемы сравнения

Учитывая это, из уравнения (27) определяем необходимую величину постоянной времени

Далее, из определяем коэффициент нелинейности пилообразного напряжения δ и сравниваем с заданным δ_зад. При этом должно соблюдаться неравенство

Сопротивление резистора R₃выбираем из условия минимального времени разряда конденсатора С₁и запирания тиристора после снятия синхронизирующего импульса

Тиристор VS1 выбираем по максимально допустимому импульсному анодному току. Величина тока разряда, протекающего через тиристор,

По указанным характеристикам выбираем тиристор КУ102Б.

Параметры каскада синхронизации рассчитываем из условия формированиянеобходимого по длительности и амплитуде тока управления для тиристора VS1.

1.2. Схема управления тиристорными силовыми ключами переменного тока

Для функционирования силовых транзисторов, тиристоров и других приборов на них необходимо подавать соответствующие сигналы управления. Эти сигналы формируются СУ, которая обрабатывает и выдает информацию, а также формирует импульсы управления электронными ключами силовой части схемы. Поэтому СУ состоит из элементов ифункциональных узлов, связанных с обработкой информационных потоков и формированием импульсов управления. СУ, обеспечивающая подачу отпирающих импульсов на тиристоры преобразователя любого типа, совместно с преобразователем решает комплекс задач, связанных с формированием и регулированием его выходного напряжения. Узлы системы управления выполняются из дискретных и интегральных электронных компонентов, электромагнитных реле и т.п. Для функционирования этих элементов требуются источники электропитания с различными параметрами. Поэтому в составе структуры имеется блок вторичных источников питания для собственных нужд, называемых также источниками оперативного питания (ИОП), или вторичными источниками питания (ВИП). В этих источниках применяются преобразователи и регуляторы различных видов, согласующие параметры входного (иногда и выходного) напряжения силовых цепей с параметрами, требуемыми для питания элементов системы управления. При питании от сети переменного тока основой ИОП обычно служат трансформаторы малой мощности с несколькими вторичными обмотками на разные напряжения. Эти обмотки подключаются к выпрямителям с выходными, обычно емкостными фильтрами. Для стабилизации уровней выходных напряжений выпрямителей малой мощности используют стабилитроны или транзисторные регуляторы непрерывного действия в дискретном или интегральном исполнении. Для улучшения массогабаритных показателей используют структуру ИОП с бестрансформаторным входом. В этой структуре переменное напряжение силовой цепи поступает на выпрямитель, выходное напряжение которого преобразуется инвертором в переменное напряжение повышенной частоты (обычно не менее 20 кГц). Затем это напряжение трансформируется, снова выпрямляется и фильтруется. Трансформация и фильтрация при повышенных частотах позволяют существенно уменьшить массу и габаритные размеры ИОП.

Существует общность в реализации систем управления. Она обусловливается

идентичностью управляющего воздействия СУ на силовую схему, которое проявляется в изменении момента подачи отпирающих импульсов на тиристоры по отношению к синусоидально изменяющейся кривой напряжения сети (т. е. угла управления α ). СУ преобразователей, осуществляющих регулирование фазы управляющих импульсов, называют

системами импульсно-фазового управления (СИФУ). При фазовом методе управления создается искусственный сдвиг фаз между питающим и управляющим напряжениями. Диапазон регулирования фазового угла при этом методе значительно возрастает, хотя в области предельных значений (около 0 и U_макс ) регулировочная характеристика теряет свою линейность. При фазовом методе управления сказывается разброс параметров тиристоров на момент их включения. Фазоимпульсный метод управления, применяется для повышения надежности включения тиристоров. Сущность его заключается в том, что для изменения угла включения тиристора сдвигается не фаза переменного напряжения, а импульс с крутым фронтом. При этом диапазон регулирования фазового угла 180°.

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

Синхронные СУ состоят из следующих основных элементов:

1) синхронизирующего устройства (УС), обеспечивающего синхронизацию последовательности импульсов с сетевым питающим напряжением;

2) фазосдвигающего устройства (ФСУ), преобразующего управляющий сигнал в соответствующее фазовое положение последовательности импульсов относительно сетевого питающего напряжения;

3) устройства предварительного формирования, обработки и усиления управляющих импульсов. Это устройство выполняет различные логические операции, связанные с режимом работы силовой схемы преобразователя или самой СУ: прекращение подачи управляющих импульсов в аварийных режимах, удвоение импульсов в случае использования узких управляющих импульсов, распределение импульсов по каналам управления и т. д. Кроме того, оно предназначено для формирования импульсов заданной длительности и их усиления;

4) выходного устройства (ВУ), осуществляющего окончательное формирование и усиление импульсов управления.

Наличие всех указанных устройств или четкое разделение СУ на такие устройства не является обязательным, поскольку некоторые функции СУ могут быть объединены в одном элементе. Способы технической реализации указанных устройств могут быть различны как по типу применяемых элементов, так и по принципу действия схемы.

Поскольку работа ФСУ основана на сравнении двух напряжений (опорного и управляющего), его принцип действия называется вертикальным. Вертикальный метод управления — наиболее распространенный метод построения полупроводниковых устройств управления тиристорами. Сущность его заключается в сравнении переменной (синусоидальной, треугольной или пилообразной) формы напряжения и регулируемого постоянного напряжения U_вх. В момент равенства этих напряжений сравнивающее устройство запускает выходной каскад, которым может быть триггер или мультивибратор с эмиттерной связью, блокинг-генератор или полупроводниковый триод,работающий в ключевом режиме. Полупроводниковые устройства управления тиристорами,построенные по вертикальному методу, имеют ряд достоинств: они безынерционны,выполняются из готовых элементов и деталей, имеют высокий коэффициент передачи,формируют управляющий импульс с большой крутизной переднего фронта (до 0,5 мкс).

Частным случаем вертикального метода является число-импульсный. Особенность его втом, что на управляющий электрод подается пачка коротких импульсов, что позволяетупростить расчет и конструкцию выходного трансформатора и в то же время обеспечитьнадежную работу тиристорного ключа при любом характере нагрузки.

На рис. 2 показана универсальная однофазная схема непрерывного управления

тиристорными силовыми ключами переменного тока, построенная по числоимпульсномуметоду [9]. Она состоит из следующих каскадов:

- узла синхронизации напряжения на транзисторе VТ1, который формирует узкий

импульс (длительностью 10 мкс), синхронный с анодным напряжением силового тиристора;

- генератора пилообразного напряжения на тиристоре VS1, вырабатывающего

напряжение пилы, начало и конец которой ограничивается двумя соседними

синхронизирующими импульсами;

- схемы сравнения на транзисторе VТ2, которая формирует импульс в момент равенстванапряжения пилы и напряжения, подаваемого от цепи обратной связи или задания;

- импульсного усилителя на транзисторе VТ3, формирующего импульс достаточноймощности для отпирания силового тиристора.

Рис. 1.2. Универсальная полупроводниковая схема управления

Схема работает следующим образом. На вход аб узла синхронизации поступает двухполупериодное выпрямленное напряжение U_аб от той же фазы, от которой питается силовой тиристор. Ограничиваясь по амплитуде на стабилитроне VD, синхронизующее напряжение трапецеидальной формы U бVT1 подается на базу VТ1. Пока на базе VТ1 есть положительное напряжение, он заперт. В момент, когда UбVT1 падает почти до нуля, транзистор отпирается и в его коллекторной цепи появляются импульсы, строго синхронные с моментом изменения знака сетевого напряжения. Эти импульсы поступают на управляющий электрод тиристора VS1, включая его. Происходит быстрый разряд конденсатора С1 через резистор R3 и тиристор VS1. Тиристор VS1 выключается (напряжение на его аноде равно нулю), и начинается медленный заряд конденсатора через резисторы R4 и R5. Формируемое таким образом пилообразное напряжение поступает на один из входов схемы сравнения (катод VD2). На второйвход подается сигнал из цепи обратной связи U вх. Пока напряжение на катоде VD2 меньше (по абсолютной величине) напряжения на катоде VD1, диод VD2 заперт, а диод VD1 открыт и коммутирует отрицательную обратную связь блокинг-генератора на VТ2. Последний надежно заперт. С ростом напряжения пилы наступает момент, когда напряжение на катоде VD1 становится меньше (по абсолютной величине) напряжения на катоде VD2. Диод VD1 запирается, VD2 отпирается, включая положительную обратную связь.

Блокинг-генератор генерирует непрерывную последовательность импульсов, начало которой определяется моментом равенства напряжений катодов VD1 и VD2, а конец моментом срыва напряжения пилы.

Рис.1.3 Временные диаграммы работы регулятора мощности

Задание 2

В задаче требуется:

1. Рассчитать рабочие перегрузки полупроводникового прибора с охладителем при заданной температуре охлаждающей среды, скорости охлаждающего воздуха, предназначенного для роботы в схеме силового однофазного ключа регулятора мощности, и построить семейство перегрузочных характеристик для предварительной нагрузки, равной значениям 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 максимально допустимого среднего тока полупроводникового прибора и длительности перегрузки, равной значениям 0,1; 1,0; 10; 100; 1000 с.

2. Результаты расчёта представить в виде таблиц и графиков.

Тип полупроводникового прибора —ТБ153-630*.

Температура охлаждающей среды — 10 ºС.

Скорость охлаждающего воздуха — 6 м/с.

Параметры тиристора ТБ153-630:

Пороговое напряжение — U_TO = 1,45 В;

Максимально допустимая температура перехода — T_jmax = 125 ºC;

Дифференциальное сопротивление — r_T = 2,2∙10^–4 Ом.

Тепловое сопротивление переход–корпус — R_thjc = 0,02 ºС/Вт

Параметры системы охлаждения с охладителем О353-150:

Тепловое сопротивление корпус–охладитель — R_thch = 0,03 ºС/Вт

Тепловое сопротивление охладитель–среда — R_thha = 0,08 ºС/Вт

Тепловое сопротивление переход– среда

По характеристике переходного теплового сопротивления находим:

С учётом переходных тепловых сопротивлений «переход-корпус» и «корпус-охладитель»

Максимально допустимый средний ток:

Мощность потерь и температура нагрева при предварительной нагрузке:

Определим допустимые амплитуды тока перегрузки:

:

:

Результаты расчётов помещаем в таблицу:

Таблица 1

Допустимая амплитуда тока перегрузки

Предварительная нагрузка	Допустимая амплитуда перегрузки, А при длительности перегрузки, с
			0,06	0,1
		5.0
98.4		34.9
196.8		57.5
295.2		82.9
393.6		110.9

Графики зависимости допустимой амплитуды тока перегрузки от длительности перегрузки показаны на рис. 1.

Рис. 2.1. Графики зависимости допустимой амплитуды тока перегрузки от длительности перегрузки

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника: Учебник для вузов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – 632 с.

2. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – 5-е изд. – СПб.: КОРОНА принт; M.: Бином-Пресс, 2006. – 416 с.

3. Серебряков А.С. Электротехническое материаловедение. Проводниковые,

полупроводниковые и магнитные материалы: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. – М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. – 372 с.

4. Бурков А.Т. Электроника: физические основы, полупроводниковые приборы и устройства: Учебное пособие. – СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 1999. – 290 с.

5. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. – М: Высшая школа, 1982. – 496 с.