Министерство образования Республики Беларусь

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра "Электропривод и автоматизация промышленных установок"

Методические указания к лабораторной работе

по курсу “Силовая преобразовательная техника”

Для студентов специальности 1-530105

“Автоматизированные электроприводы”

Лабораторная работа № 5

“Исследование режимов работы и определение параметров блока управления симисторами и тиристорами БУСТ2”

Могилев 2012

УДК 621.313 Составители: Бочкарев Г.В.

Лапицкий В.А.

«Исследование режимов работы и определение параметров блока управления симисторами и тиристорами БУСТ2». Методические указания к лабораторной работе №5 по дисциплине «Силовая преобразовательная техника».

Для студентов специальности 1-530105 “Автоматизированные электроприводы”

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры

“Электропривод и АПУ” 02 февраля 2012 г., протокол №6.

Белорусско-российский университет

1 Цель работы

Исследовать режимов работы и определить параметры блока управления симисторами и тиристорами БУСТ2.

2 Основные теоретические сведения

Симистор – полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ). В закрытом состоянии он ведёт себя как разомкнутый выключатель. Напротив, подача управляющего тока на управляющий электрод симистора ведёт к переходу его в проводящее состояние. В это время симистор подобен замкнутому выключателю.

При отсутствии управляющего тока симистор во время любого полупериода переменного напряжения питания неизбежно переходит из состояния проводимости в закрытое состояние.

Симистор можно представить двумя тиристорами, включенными встречно-параллельно. Он пропускает ток в обоих направлениях. Симистор имеет три электрода: один управляющий и два основных для пропускания рабочего тока.

Симистор открывается, если через управляющий электрод проходит отпирающий ток или если напряжение между его основными электродами превышает некоторую максимальную величину (это часто приводит к несанкционированным срабатываниям симистора, происходящим при максимуме амплитуды напряжения питания).

Симистор переходит в закрытое состояние после изменения полярности между его выводами или если значение рабочего тока меньше тока удержания Iу.

Симистор накладывает ряд ограничений при использовании, в частности при индуктивной нагрузке. Ограничения касаются скорости изменения напряжения (dV/dt) между анодами симистора и скорости изменения рабочего тока di/dt.

Во время перехода симистора из закрытого состояния в проводящее внешней цепью может быть вызван значительный ток. В то же время мгновенного падения напряжения на выводах симистора не происходит. Следовательно, одновременно будут присутствовать напряжение и ток, развивающие мгновенную мощность, которая может достигнуть значительных величин. Энергия, рассеянная в малом пространстве, вызовет резкое повышение температуры р-п переходов. Если критическая температура будет превышена, то произойдет разрушение симистора, вызванное чрезмерной скоростью нарастания тока di/dt.

Ограничения также распространяются на изменение напряжения двух категорий: на dV/dt применительно к закрытому симистору и на dV/dt при открытом симисторе (последнее также называется скоростью переключения).

Чрезмерная скорость нарастания напряжения, приложенного между основными выводами зарытого симистора, может вызвать его открытие при отсутствии сигнала на управляющем электроде. Это явление вызывается внутренней емкостью симистора. Ток заряда этой емкости может быть достаточным для отпирания симистора.

Однако не это является основной причиной несвоевременного открытия. Максимальная величина dV/dt при переключении симистора, как правило, очень мала, и слишком быстрое изменение напряжения на выводах симистора в момент его запирания может тотчас же повлечь за собой новое включение. Таким образом, симистор заново отпирается, в то время как должен закрыться.

Трёхфазный симисторный регулятор напряжения предназначен для регулирования мощности нагрузки с током нагрузки до 25А. Регулятор включается последовательно между сетью питания и нагрузкой, включённой по схеме «звезда» или «треугольник». Возможно также использование регулятора для асимметричной нагрузки, включённой по схеме «треугольник». Регулирование осуществляется за счет включения и отключения полной нагрузки. Регулятор реализует пропорциональное управление по времени, путем изменения соотношения между временем включенного и отключенного состояния нагрузки в соответствии с заданными требованиями. Например, если нагрузка 30 секунд включена и 30 секунд отключена, то это означает, что выходная мощность нагрузки составляет 50% от максимальной. Время цикла (сумма времени включенного и отключенного состояния нагрузки) является настраиваемой величиной в диапазоне 6…60 секунд. Такое регулирование уменьшает затраты на электроэнергию. Коммутация нагрузки осуществляется полупроводниковым прибором (симистором). Это означает, что в коммутирующем устройстве отсутствуют какие-либо механические элементы, подверженные износу. Коммутация нагрузки всегда производится в тот момент, когда ток и напряжение равны нулю, что исключает возникновение электромагнитных помех.

Регулятор может автоматически изменять закон регулирования в соответствии с динамикой объекта регулирования.

Особенность этого симисторного регулятора — число подаваемых на нагрузку полупериодов сетевого напряжения остается четным при любом положении органа управления. А это означает, что в потребляемом нагрузкой токе не образуется постоянная составляющая и, следовательно, отсутствует вредное подмагничивание магнитопроводов подключенных к регулятору трансформаторов и электродвигателей. Мощность регулируется изменением числа периодов переменного напряжения, приложенного к нагрузке за определенный интервал времени.

Схема регулятора показана на рисунке. Устройство содержит два узла питания. Первый — R1, VD5, VD2; второй — R2, С1, VD4, VD1. Стабилитроны VD4 и VD5 ограничивают выпрямленное напряжение на уровне 10В. Ввиду того что ток через конденсатор С1 опережает по фазе на 90 град, приложенное к нему напряжение, положительные импульсы напряжения на стабилитронах VD4 и VD5 сдвинуты по времени приблизительно на четверть периода. Это уменьшает паузу в зарядном токе сглаживающего конденсатора С2, что позвляет применить здесь конденсатор меньшей емкости.

Импульсы, снимаемые со стабилитрона VD5, повторяет на своем выходе элемент "Исключающее ИЛИ" DD1.2, поскольку один из его входов соединен с общим проводом. Такой же элемент DD1.1 совместно с резистивным делителем напряжения R4R5 и цепью задержки R6C3 формирует импульсы высокого логического уровня в начале каждого полупериода сетевого напряжения.

Элементы DD1.3 и DD1.4 работают как инверторы, поскольку на одном из входов каждого из них постоянно установлен высокий уровень. На них собран генератор импульсов с регулируемой переменным резистором R8 скважностью и частотой повторения около 2 Гц. Импульсы поступают на вход «D» триггера DD2.1. Поскольку выход элемента DD1.2 соединен с входом «С» этого триггера, его состояние изменяется в соответствии с уровнем на входе «D» исключительно в моменты нарастающих переходов сетевой синусоиды через ноль. В результате длительности импульсов и пауз между ними на выходе триггера всегда остаются кратными периоду сетевого напряжения.

На логических элементах DD3.1 и DD3.2 выполнен генератор импульсов частотой около 6 кГц. Он работает только при условии, что на входе 1 элемента DD3.1 и на входе 5 элемента DD3.2 одновременно установлен высокий уровень. В результате в начале каждого из тех полупериодов сетевого напряжения, во время которых уровень на выходе триггера DD2.1 высокий, формируются короткие пачки импульсов. Через усилитель на транзисторе VT1 и импульсный трансформатор ТV1 они поступают в цепь управления симистора VS1, открывая его на целое число периодов сети (четное число полупериодов). Соотношение числа периодов, в которых симистор открыт и в которых он закрыт, а следовательно, и средняя мощность, поступающая в нагрузку, зависят от положения движка переменного резистора R8.

Импульсный трансформатор ТV1 имеет ферритовый магнитопровод типоразмера К7х4х2,5. Обе его обмотки одинаковы, они имеют по 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,15 мм. При изготовлении трансформатора следует обратить особое внимание на качество изоляции между его обмотками.

Симистор КУ208Н может быть заменен другим с допустимым напряжением (обратным и в закрытом состоянии) не менее 600 В и допустимым током не менее тока подключенной к регулятору нагрузки. Желательно защитить симистор от выбросов приложенного к нему напряжения варистором, например СН-1-560, подключив его параллельно электродам 1 и 2 симистора.