Материал: 3773

4. Типовая структурная схема управления фув

Тиристорные фазоуправляемые выпрямители относятся к классу преобразова − тельных устройств . Основное отличие их от транзисторных преобразователей (ТП) в том , что ФУВ питаются от сети переменного тока либо непосредственно , либо через промежуточный силовой трансформатор и преобразуют переменное напряжение в постоянное .

Если схемы управления (Сх.У) ФУВ и ТП разделить на функциональные узлы , то можно убедиться , что они не имеют принципиальных отличий . Подробные описания Сх.У , примеры расчетов приведены в [ 3 ] . Здесь будут рассмотрены Сх.У тирис − торами ФУВ , которые реализуют , так называемый , вертикальный принцип .

На рис . 8 представлена типовая функциональная схема Сх.У и диаграмма нап – ряжений , поясняющая её работу . Схему условно делят на два узла : 1.Фазосдви − гающее устройство (ФСУ) . 2. Генератор импульсов (ГИ) .

16

ФСУ преобразует медленно меняющийся входной сигнал U_вх в напряжение пря − моугольной формы U_пэ = U_шим , причем длительность (ширина) импульсов U_шим = U_пэ зависит от уровня U_вх . Опишем состав ФСУ и сигналы , действующие в нем .

ГСИ – генератор синхронизирующих импульсов ; ГПН – генератор напряжения пилообразной формы ; ПЭ пороговый элемент , или схема сравнения . Обозначения сигналов : U_син – напряжение , синхронизирующее работу ГСИ и ГПН с напряжением питающей сети ; U_пэ = U_шим – напряжение на выходе ПЭ ; U_вх – напряжение входного сигнала , изменяющее угол включения тиристоров .

Работа ФСУ .

U_син – выпрямленное синусоидальное напряжение . В конце и начале каждого по − лупериода ГСИ под действием U_син формирует короткие по длительности синхро − импульсы . Временные интервалы между синхроимпульсами определяют период Т напряжения «пилы» U_п . Очевидно , что период Т должен совпадать с длительностью полупериода напряжения сети , питающей ФУВ . Между моментами появления син − хроимпульсов напряжение U_п на выходе ГПН медленно нарастает (обычно по ли − нейному закону) , а в конце периода практически мгновенно падает до нуля .

Напряжения пилы и входного сигнала U_п и U_вх подаются на входы ПЭ , представ − ляющего собой устройство , у которого выходной сигнал зависит от соотношения между U_п и U_вх . Если выполняется условие U_п > U_вх , то U_пэ = U_шим = 0 . Как только U_п становится больше U_вх , напряжение U_шим скачком возрастает до некоторого значения и сохраняет его , пока U_п > U_вх , то есть до конца периода Т . Возможен и другой ва – риант работы ПЭ . При U_п < U_вх , U′_шим > 0 ; при U_п > U_вх , U′_шим = 0 . Таким образом , ПЭ выполняет функцию компаратора , сравнивающего U_п и U_вх .

Напряжение U_шим имеет форму импульса с длительностью (шириной) T_и , завися − щей от уровня U_вх . Если U_вх уменьшается , то передний фронт импульса U_шим сдви − гается влево , Т_и растет . Или , если задний фронт импульса U′_шим сдвигается влево , Т_и уменьшается . Задача следующего узла схемы управления ГИ – из движущегося фронта «широкого» импульса U_шим или U′_шим сформировать короткий и достаточно мощный для включения тиристора импульс U_упр на управляющем переходе в момент ωt = α . Угол включения тиристора α определяется уровнем U_вх .

Отношение Т_и/Т называют коэффициентом заполнения K_з , а зависимость K_з = f(U_c) – модуляционной характеристикой ФСУ . Вид характеристики определяется формой U_п . Если U_п – напряжение пилообразной формы , то модуляционная характеристика – линейная

II . Описание лабораторных стендов .

Вариант №1 . ФУВ на тиристорах с управлением по катоду

Конструктивное оформление стенда

Стенд выполнен в виде открытого макета . На лицевой панели стенда (рис . 9 ) размещены :

1 . Схема силового трансформатора Т1 и элементы силовой части ФУВ : диоды V1

19

, V2 ; тиристоры VT1 , VT2 , обратный диод V₀ ; гнёзда G1…G13 , контакты К2…К8 для установки перемычек , штекеров и сборки вариантов схем ФУВ , подключения измерительных приборов , реостата и сглаживающего дросселя в качестве активной и индуктивной составляющих нагрузки) , измерительных приборов , осциллографа .

2 . Схема управления ФУВ с выведенными на лицевую панель гнездами G15…G17 и контактами К1 , К9…К11 . Гнёзда G11 установлены в разных местах лицевой па − нели (продублированы) и являются общими для всей схемы стенда .

3 . Блок питания БП схемы управления состоит из маломощного трансформатора Т2 , выпрямителя VD1 , стабилизаторов напряжения СТ1 , СТ2 . БП включается в сеть 220В , 50Гц с помощью шнура с вилкой и выключателя S1 .

На стенде обозначена только схема трансформатора Т1 и контакты K2 , K3 , K4 для подключения внешнего силового трансформатора . Оборудовать стенд собственным мощным трансформатором ввиду большого веса и размеров не представляется возможным , поэтому в качестве силового используется трансформатор одного из стендов «Выпрямители» с напряжением на на выво – дах вторичной обмотки 25…60В .

При проведении лабораторной работы используются следующие приборы и оборудование : амперметр магнитоэлектрической системы , вольтметр , например В7-38 (или цифровой мультиметр) , осциллограф , реостат и дроссель , соединительные проводники , перемычки . Вольтметр и осциллограф следует включить в сеть пи − тания 220В , 50Гц до начала эксперимента .

В лабораторной работе для наблюдения за формой сигналов и измерения углов включения тиристоров используются двухканальные осциллографы . У каждого из входных кабелей осциллографа имеются по два контакта – щупа , которыми кабель подключается к исследуемой цепи . Один контакт – щуп это собственно вход ос − циллографа , другой щуп является общим , или «земляным» . В ходе выполнения работы необходимо следить за тем , чтобы «земляные» щупы одновременно находились на общей шине схемы стенда (гнезда G11) .

Кабели снабжены встроенными делителями напряжения 10 : 1; с помощью дели − телей можно в 10 раз изменять масштаб напряжения сигналов , поступающих на вхо −

ды осциллографа . Таким образом , достигается возможность размещения на экране

осциллографа двух синхронизированных осциллограмм с соизмеримыми ампли − тудами .

Описание работы схемы управления

Работа элементов схемы управления ФУВ должна быть синхронизирована с на – пряжением питающей сети 220В , 50Гц . Для этой цели используется напряжение

20

одной из обмоток трансформатора T2 , который питается от той же сети . Собственно

синхронизирующим является выпрямленное , отрицательное по знаку относительно общей шины (гнездо G11) , напряжение U_k1 = U_син , которое подается во входную цепь генератора синхроимпульсов ГСИ через резистор R9 .

ГСИ собран на триоде VT3 , который работает в режиме ключа . Диаграмма напряжений , сигналов , поясняющая работу ГСИ и ГПН , приведена на рис . 10 .

Основную часть каждого периода T (0…π , π…2π и т . д .) отрицательное напряжение U_син смещает эмиттерный переход триода VT3 в обратном направлении , поэтому он находится в состоянии отсечки (закрыт) . Напряжение U_кэ3 при этом высокое ≈ +15В . В конце и начале каждого периода U_син уменьшается до нуля . Триод на короткий интервал времени отпирается током базы I_б3 , протекающим по цепи +15В – R10 – эмиттерный переход VT3 – земля (общая шина) , и переходит в состояние насыщения , а U_кэ3 падает до уровня U_кэн3 ≈ 0В . Таким образом , на коллекторе VT3 формируется напряжение U_гси .

Термин «вертикальный принцип управления» объясняют тем , что угол α зависит от уровня медленно меняющегося U_вх относительно напряжения «пилы» . Помимо

17

Рис . 8

вертикального на практике широко применяется интегральный принцип управления . Достаточно подробное описание принципов управления дано в [ ] .

Внимание !

Для выполнения работ предлагаются два варианта лабораторных макетов . Первый вариант с ФУВ на тиристорах с управлением по катоду . В схеме второго варианта ФУВ построен на тиристорных оптопарах . Схемы управления обоих вариантов реа – лизуют вертикальный принцип . Нумерация гнезд , контактов и вентилей силовой части на обоих макетах – одинаковая . Поэтому , чтобы избежать повторений , на схемах исследуемых ФУВ , которые набираются с помощью перемычек и провод – ников , в рабочем задании изображены тиристоры с управлением по катоду .

Контрольные вопросы к разделу I . Теоретические сведения .

1 . Охарактеризуйте тиристор , как силовой прибор для управления электрической энергией : виды тиристоров , УГО , способы управления .

2 . Общее определение (назначение) фазоуправляемых выпрямителей ФУВ .

18

3 . Начертите схему однопульсного ФУВ . Объясните работу однопульсного ФУВ на активную нагрузку ; приведите основные соотношения .

4 . Изобразите схему однопульсного ФУВ с RL – нагрузкой . Расскажите об осо – бенностях работы на RL – нагрузку . Приведите графики , соотношения . Объясните термин «рекуперация» .

5 . Изобразите схему однопульсного ФУВ с RL – нагрузкой и обратным диодом V₀ . Расскажите о работе ФУВ на RL – нагрузку с V₀ . Каковы недостатки однопульсных ФУВ ?

6 . Начертите схему двухфазного однполупериодного ФУВ с активной нагрузкой . Объясните работу ФУВ на активную нагрузку . Приведите графики , основные соотношения .

7 . Начертите схему двухфазного однполупериодного ФУВ с RL – нагрузкой . Расскажите об особенностях работы ФУВ на RL – нагрузку . Приведите графики , соотношеия .

8 . Начертите схему двухфазного однполупериодного ФУВ с RL – нагрузкой и обратным диодом . Приведите графики и основные соотношения , характеризующие работу ФУВ .

9 . Изобразите схему однофазного двухполупериодного (мостового) ФУВ . Рас – скажите об особенностях работы ФУВ на активную нагрузку , RL – нагрузку и RL – нагрузку с обратным диодом Приведите графики и основные соотношения .

10 . Начертите схему замещения силовой цепи ФУВ ,работающего в режиме не – разрывных токов с учетом сопротивлений потерь . Объясните действие каждого элемента схемы .

11 . Опираясь на схему замещения силовой цепи , составьте уравнения статических характеристик : нагрузочной и регулировочной – с учетом сопротивлений потерь . Изобразите примеры типовых статических характеристик . Какие параметры ФУВ определяются по статическим характеристикам ?

12 . Начертите типовую структурную схему управления ФУВ . Объясните назна – чение узлов и работу схемы , реализующей вертикальный принцип управления .

Генератор пилообразного напряжения (ГПН) построен на операционном усили − теле (ОУ) DA1 и представляет собой интегратор с прерыванием процесса интегри − рования с помощью ключа . Роль ключа выполняет триод VT4 . Работа интегратора .

Положим сначала , что триод VT4 закрыт . Тогда конденсатор C1 заряжается через резистор R14 от источника напряжения U_зар . Функцию источника U_зар выполняет де −

литель напряжения R12 , R13 , здесь R13 – потенциометр . Поворачивая движок по − тенциометра , можно подбирать требуемое значение U_зар . Будем считать , что свой – тва ОУ близки к идеальным , т.е. : K_u →∞ , U_ин → 0 , R_вх.ОУ →∞ , I_вх.OУ → 0 .

Составим уравнения для входной цепи ОУ DA1 . Согласно 1-му закону Кирхгоф − фа

I_R14 = I_вх.ОУ + I_С1 ; т.к. I_вхОУ → 0 , то I_R14 ≈ I_С1 – ток заряда конденсатора C1 .

Согласно второму закону Кирхгоффа

U_зар = I_R14∙R₁₄ + U_ни , или U_зар ≈ I_С1∙R₁₄ , I_С1 = U_зар/R₁₄ .

По определению напряжение на выходе интегратора

U_вых..оу = U_п =

Очевидно , U_вых..оу = U_п растет по линейному закону , скорость нарастания зависит от уровня U_зар .

Обратимся к диаграмме и схеме (см. рис . 10) . В течение практически всего пери − ода T напряжение U_кэ3 ≈ +15В приложено к базе триода – ключа VT4 , следователь −

но , VT4 закрыт и не влияет на процесс интегрирования , поэтому U_вых..оу = U_п линейно

нарастает до некоторого амплитудного значения U_пм . В конце периода триод VT3 , а

21

22

вместе с ним VT4 , на короткое время переходят в состояние насыщения и конден −

сатор C1 быстро разряжается на малое сопротивление участка коллектор – эмиттер

насыщенного VT4 . Напряжение U_п падает до нуля ; далее триоды VT3 и VT4 вновь

Рис . 10

переходят в состояние отсечки и в следующем периоде процесс интегрирования повторяется .

Таким образом , напряжение на выходе интегратора U_п получает пилообразную форму . Амплитуда пилы U_пм подбирается с помощью потенциометра R13 .

Следующим элементом фазосдвигающего устройства , согласно рис . 7 , должен быть пороговый элемент ПЭ , на входах которого сравниваются напряжения пилы U_п и входного сигнала U_вх . В схеме управления данного стенда реализация функций сравнения и формирования широтно – модулированного сигнала импульсной формы возложена на ШИМ – контроллер TL494 .

Контроллеры этого типа разработаны для управления транзисторными широтно – импульсными преобразователями постоянного тока . Схема контроллера содержит генератор пилы , работающий в автоколебательном режиме . Частота генерируемого напряжения U_п определяется параметрами внешних навесных элементов R_t и C_t ,

которые подключаются к выводам 5 и 6 контроллера . Подробное описание ШИМ – контроллера TL494 дано в [ 4 ] .

В то же время контроллер может работать с внешним генератором пилы , для чего вывод 6 замыкается на вывод 14 , а вывод 5 подключается к выходу внешнего гене − ратора , в нашем случае – интегратор , (контакт K10) , т.е U_K10 = U_п . Модулированные по ширине импульсы прямоугольной формы и положительной полярности , при соответствующих подключениях внешних резисторов , снимаются с выводов 8 – 9 и 10 – 11 . На стенде напряжение U_пэ снимается с выводов 8 – 9 : U_пэ = U_K11 .

23

Выходной триод контроллера включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ) и представляет собой импульсный транзисторный ключ с напряжением питания цепи коллектора +5В , следовательно , амплитуда модулированных по ширине импульсов около 4,6…4,8В (уровень логической «1» ТТЛ − логики) , напряжение на насыщен − ном триоде около 0,2…0,4В (уровень логического нуля) .

На рис . 11 и 12 приведены следующая часть схемы стенда и диаграмма сигналов , поясняющая её работу . Модулируемое по ширине напряжение U_пэ = U_K11 подается на вход ждущего мультивибратора (ЖМ) . ЖМ построен на логических элементах И – НЕ ТТЛ серии с напряжением питания 5В , т.е. совместимых по уровням лог. «1» и лог.«0» с U_пэ = U_K11 .

Выход ЛЭ DD1.1 нагружен RC – цепью , резистор R цепи подключен к объединен – ным входам ЛЭ DD1.2 , поэтому последний может работать только как логический инвертор . Назначение ЖМ – сформировать из движущегося фронта импульса U_пэ = U_K11 (обозначен стрелками) короткий постоянный по длительности импульс напря – жения или инверсию импульса напряжения . В нашем случае на выходе DD1.2

Рис . 11

формируется инверсия импульса с длительностью T_и . Длительность T_и определяется параметрами RC – цепи , которую и называют времязадающей .

Работа ЖМ . В интервале фазовых углов 0…α на верхнем входе ЛЭ DD1.1 дей – ствует напряжение высокого логического уровня U_пэ = U_K11 = лог. «1» . На входах инвертора DD1.2 действует напряжение лог. «0» , а на его выходе соответственно U_DD1.2 = лог. «1» . Выход инвертора соединен напрямую с нижним входом DD1.1 . Таким образом , в интервале 0…α на обоих входах DD1.1 действуют сигналы лог. «1» и , следовательно , выходной сигнал DD1.1 – напряжение лог. «0» .

24

Ниже приведена таблица функционирования двухвходового ЛЭ И – НЕ , сог – ласно которой логический уровень выходного сигнала Y равен лог. «0» , если на сиг − налы X2 и X1 обоих входах – лог. «1» . Если хотя бы на одном из входов действует