Мощный 3х фазный цифровой тиристорный регулятор
Л. ШИЧКОВ, А. АЛЕКСЕЕВ Балашиха Московской обл.
Тиристорные одно- и многофазные регуляторы мощности широко применяются в народном хозяйстве. Поэтому разработка и создание унифицированных модульных систем управления ими позволяет значительно повысить эффективность пускорегулирующей аппаратуры.
В статье Л. Шичковя «Блок управления тиристорями» («Радио», 1982, № 10, с. 22—24) описана унифицированная система управления мощными тиристорами на номинальный ток до 500 А, выполненная на аналоговых элементах. Она предпочтительна в основном для однофазных устройств, работающих в сети с малым уровнем помех. При многофазном исполнении такой системы потребуется в формирователе пилообразного напряжения для каждой фазы использовать высокостабильные элементы с жесткими допусками, тщательно устанавливать режим работы каждого формирователя для обеспечения равенства значений угла включения тиристоров. При повышенном уровне сетевых помех систему управления придется эффективно защищать от них заграждающими фильтрами.
Указанные недостатки могут быть исключены при выполнении системы управления на цифровых элементах. Она сохраняет все положительные качества исходной аналоговой системы управления и приобретает ряд новых:
уменьшение числа навесных элементов, повышение мощности управляющих импульсов с подачей их на тиристоры только при положительном напряжении на аноде, расширение функциональных возможностей, увеличение эксплуатационной надежности, резкое упрощение процесса налаживания.
Схема одного из вариантов цифровой системы управления тиристорами показана на рис. 1. Она содержит единый для всех фазных каналов высокочастотный генератор импульсов ВГИ. выполненный на логических элементах микросхемы DD4 и управляемый по частоте переменным резистором R12, который задаст угол включения тиристоров. Сигналом Uупр, поступающим с датчика-преобразователя (на схеме не показан), можно автоматически управлять углом включения тиристоров. Перемещение движка резистора R12 из правого по схеме крайнего положения в крайнее левое при отсутствии напряжения обратной связи Uупр изменяет частоту ВГИ от 5 кГц до 1 МГц, т. е. в 200 раз. При этом угол включения тиристоров изменяется от 0 практически до 180°. Такое же изменение часто ты ВГИ и соответственно угла включения тиристоров соответствует изменению напряжения Uупр от 6 В до 0 при левом крайнем положении движка резистора R12.
Число каналов управления равно числу используемых фаз питающей сети. Каналы идентичны и взаимозаменяемы. Каждый из них содержит блок питания микросхем (Т1, VD1, R1, С2, VD4), источник сигнала синхронизации (VD2, VD3, R2--R4), фазосдвигающий узел на транзисторе VT1, счетчике DD1 и элементах DD2.1, DD2.2, заторможенный генератор высокочастотных импульсов на элементах микросхемы DD3, два одинаковых формирователя открывающих импульсов ФИ1а, ФИ2а, выполненных на транзисторе (VT2) и импульсном трансформаторе (Т2), и тиристорный ключ ТКа.
При работе в каждом канале управления отрицательные полупериоды напряжения с выводов обмотки II трансформатора Т1 поступают на базы транзисторов VT2 каждого из формирователей импульсов, поочередно их закрывая. На базу транзистора VT1 поступают положительные полупериоды пульсирующего напряжения с этой обмотки с удвоенной частотой сети. Узкие прямоугольные импульсы, возникающие в моменты приближения сетевого напряжения к нулю, поступают на вход R шестиразрядного двоичного счетчика DD1 для его обнуления и начале каждого полупериода и одновременно включают узел памяти, выполненный на элементах DD2.1 и DD2.2.
На счетный вход счетчика DDI поступают высокочастотные импульсы от ВГИ. После отсчета 26=64 импульсов на выходе счетчика появляется сигнал логической 1, который переключает узел памяти. В результате па выходе элемента DD2.2 устанавливается сигнал логической 1, разрешающий работу заторможенного генератора импульсов заполнения, выполненного на элементах DD3.1- DD3.3. Работает генератор независимо от дальнейшего состояния счетчика до появления сигнала логической 1 на коллекторе транзистора VT1. Импульсы этого генератора частотой 6 кГц укорачивает до 150 мкс дифференцирующая цепь C4R6 с целью разгрузки усилителя мощности на транзисторе VT2. При этом импульсы приобретают оптимальную для управления тиристором форму: крутой фронт и пологий спад.
Укороченные положительные импульсы усиливает лишь тот усилитель, на базе транзистора которого отсутствует закрывающее отрицательное напряжение с диодов VD2, VD3. Поэтому из двух встречно включенных тринисторов VS1 и VS2 ключа включится тот, у которого в рассматриваемый полупериод напряжение па аноде по отношению к катоду положительно. В конце полупериода тринистор закроется и в очередной полупериод сетевого напряжения откроется второй тринистор ключа,
Для защиты от ЭДС самоиндукции обмотки всех импульсных трансформаторов шунтированы: первичная — цепью VD5R7, вторичная — резистором R8 и светодиодом VD7, сигнализирующим об исправности канала управления. Диод VD6 и конденсатор С5 из пачки высокочастотных импульсов формируют один импульс с высокочастотной составляющей, что обеспечивает надежное включение тринисторов при индуктивном характере нагрузки. Длительность импульса равна длительности открытого состояния тринистора — это исключает самопроизвольное его выключение при прерывистом характере нагрузочного тока.
Так как для всех каналов управления использован общий генератор импульсов ВГИ и в каждом канале на обеих полуволнах питающего напряжения работают общие фазосдвигающий узел и заторможенный генератор, значения угла включения тиристоров регулятора практически одинаковы и в нагрузке будет отсутствовать уравнительный ток, вызываемый их неравенством. Незначительное различие в значениях угла включения может быть из-за конечной длительности импульса синхронизации и конечного значения частоты следования импульсов с ВГИ. Поэтому с целью снижения указанного различия максимальная частота ВГИ соответствует предельно допустимой для выбранных микросхем и применен счетчик импульсов большой разрядности.
Переменным резистором R12 можно задавать необходимый угол включения тиристоров регулятора, а сигналом Uупр-- автоматически изменять его в нужном направлении.
В регуляторе предусмотрена электронная защита его узлов от аварийного или непредусмотренного режима работы путем мгновенного блокирования ВГИ по сигналам датчиков или реле зашиты, нормально разомкнутые пары контактов которых включают параллельно. Датчиками могут служить, например, герконовые реле токовой защиты, ртутные и биметаллические контакты термозащиты и др.
Па схеме рис. 1 показан геркон К1.1. обмотка К1 которого включена в цепь нагрузки Rна. В узле защиты использованы элементы DD2.3 и DD2.4, реализующие логическую операцию памяти. Срабатывание узла электронной защиты сигнализирует светодиод VD9. Для восстановления нормального режима работы канала после устранения причины срабатывания узла защиты надо кратковременно нажать на кнопку SB1 «Пуск». При этом положительный импульс, выделенный дифференцирующей цепью R10C.6 и диодом VD8, переведет узел защиты в исходное состояние, светодиод VD9 погаснет и сигнал логической 1 на верхнем по схеме входе, элемента DD4.4 вновь разрешит прохождение импульсов на выход генератора ВГИ. В случае отсутствия необходимости в электронной защите регулятора узел на элементах DD2.3 ,и DD2.4 исключают, а входы элемента DD4.4 объединяют.
Описанную систему можно применять для управления тиристорамн, рассчитанными на номинальный ток до 800 А в одно- и многофазных выпрямителях и регуляторах мощности переменного тока при любом характере нагрузки. На рис. 1 показан лишь один из вариантов построения тиристорного ключа. Ключ может быть собран по любой стандартной схеме, как на тринисторах, так и на симисторах. При необходимости мощность управляющих тиристорами импульсов можно корректировать выбором номиналов дифференцирующей цепи R6C4 в пределах допустимого теплового режима элементов формирователя импульсов.
Микросхемы ВГИ питаются от источника стабилизированного напряжения 9 В канала А, но можно питать их и от любого другого канала.
В регуляторе использованы сетевые трансформаторы ТП3О-127/220-50 и импульсные БТС, однако они могут быть изготовлены и самостоятельно. В частности, импульсный трансформатор можно намотать на кольцевом или чашечном магнитопроводе сечением около 60 мм2 из феррита 2000НМ или 2000НН. Первичная обмотка содержит 200 витков провода ПЭВ-2 0,2; вторичная — 100—180 витков провода ПЭВ-2 0,31 (чем мощнее тиристор, тем большее число вторичной обмотки следует принять: 100 витков для тиристоров на номинальный ток — до 50 А, 120— 180 витков — от 50 до 800 А).
Мощность сетевого трансформатора -- не менее 12 Вт. Его можно выполнить на магнитопроводе СЛ 16Х32 или ШЛМ20Х25. Обмотка 1 содержит 2200 витков провода ПЭВ-2 0,2, обмотка II — 120 витков провода ПЭВ-2 0,8.
Вместо транзистора КТ829А в устройстве можно использовать транзистор КТ972А. Микросхемы серии К176 могут быть заменены соответствующими из серии К 164, К564, К661.
Если необходимо обеспечить гальваническую развязку цепей регулятора от цепи датчика сигнала Uynp, то вместо полевого транзистора VT3 включают резисторный оптрон, например, ОЭП-12. Его фоторезистор подключают вместо выводов стока и истока полевого транзистора, а источник света — в цепь датчика.
Во избежание ошибки в подключении вторичной обмотки импульсного трансформатора следует с помощью осциллографа или вольтметра постоянного тока при включенном канале уточнить фазировку ее выводов и только затем ее подключать. Правильность соединения каналов управления и тиристоров контролируют по подаче положительных управляющих импульсов на управляющий переход тиристора только при положительном напряжении на его аноде по отношению к катоду.
При работе рассмотренного регулятора с малой частотой выходных импульсов генератора ВГИ, соответствующей большому углу включения тиристоров и соответственно малой мощности в нагрузке, из-за некоторой нестабильности частоты ВГИ, вызванной отсутствием синхронизации ее с частотой сети, может происходить незначительное «качание» угла включения тиристоров, а значит, и напряжения на нагрузке. Генератор импульсов ВГИ можно выполнить и по схеме, показанной на рис. 2. Датчик сигнала Uynp здесь «привязан» к общему проводу, что расширяет возможности устройства. Этот генератор обеспечивает более стабильное и высоколинейное преобразование напряжения в частоту импульсов. Достигнуто это применением интегрального таймера КР1006ВИ1, включенного по схеме самовозбуждения с времязадающим конденсатором С1, который заряжается от управляемого напряжением источника тока и мгновенно разряжается при достижении напряжения срабатывания таймера. Управляемый напряжением источник тока выполнен на быстродействующем ОУ DA1, токовом «зеркале» на транзисторах VT1.1--VT1.3 и транзисторе VT2. Падение напряжения на резисторе R4 служит сигналом обратной связи преобразователя «напряжение — ток». Входное напряжение ОУ DA1 прямо пропорционально определяет ток зарядки времязадающего конденсатора С1. Поэтому с увеличением этого напряжения линейно возрастают ток конденсатора С1 и частота импульсов на выходе таймера DA2, т. е. на выходе генератора ВГИ.
Как и у показанного на рис. 1 генератора ВГИ, здесь частота импульсов, определяющая угол включения тиристоров и напряжение на нагрузке, также может быть установлена на заданном уровне переменным резистором R1 и автоматически изменяться в нужном направлении сигналом Uynp от датчика. Этот ВГИ также может быть дополнен узлом электронной защиты, подобным рассмотренному выше.
РАДИО N 8, 1986 г.
|
