6.9 Система импульсно - фазового управления

Система импульсно- фазового управления (СИФУ) предназначена для выработки импульсов управления, подаваемых на управляющие переходы тиристоров силовой схемы выпрямителя. Принципиальная схема системы импульсно - фазового управления приведена на рисунке 50, а временные диаграммы, поясняющие принцип работы этой схемы, приведены на рисунке 51. Схема управления включает в себя следующие блоки (рисунок 51,а):

- узел синхронизации С;

- генератор пилообразного напряжения ГПН;

- два узла сравнения УС1, УС2;

- два усилителя формирователя УФ1, УФ2.

Рисунок 50. Принципиальная электрическая схема СИФУ

Узел синхронизации выполнен на трансформаторе Т и ячейки ограничения напряжения синхронизации R1 – VД1 – VД2 (на рисунке 46 показан канал системы управления фазы А). Для защиты системы управления от помех на первичной стороне трансформатора синхронизации Т установлен фильтр L_Ф – С_Ф – R_Ф. Напряжение с выхода одного канала узла синхронизации поступает на вход ГПН. Напряжение с выхода ГПН, выполненного на операционном усилителе А1, через конденсатор С2 поступает на инвертирующий вход усилителя А2 и на вход усилителя А3 – первого узла сравнения. Напряжение на выходе усилителя А2 противофазно напряжению на выходе усилителя А1 (рисунке 51,в,г). Эти напряжения называют опорными. Напряжение с входа А2 через конденсатор С3 поступает на вход второго узла сравнения, выполненного на операционном усилителе А4. На вторые входы узлов сравнения поступает напряжение управления U_у.

Рисунок 51. Структурная схема системы управления (а) и временные диаграммы, поясняющие работу импульсного фазового управления (б, в, г, д, е, ж, з)

В моменты равенства амплитуд опорных напряжений и напряжения управления происходит смена полярности выходных напряжений узлов сравнения (рисунок 51,в – ж) и формирование узкого импульса управления, который после усиления поступает на управляющий вход оптронного тиристора силовой схемы выпрямителя (рисунок 51,е,з).

Для обеспечения работы трехфазной мостовой схемы выпрямления импульсы управления выполняются «сдвоенными», с фазовым сдвигом, равным /3.

6.10 Пример расчета схемы управления

В качестве усилителей DA1, DA4 выбирают операционные усилители К140УД1Б. Для питания их необходим двухполярный источник ±12В.

Ограничитель напряжения синхронизации.

Выбираем диоды с малыми R_в.дин, например Д223А, имеющие следующие параметры ∆U_в.пр = 0,8 В., I _в.max = 50 mA; U_{обр max} = 100В.

Для получения синхронизирующего напряжения близкого по форме прямоугольному, необходимо, чтобы амплитуда синхронизирующего синусоидального напряжения выбиралась из условия:

U_{синхр.max} = ∆U_пр •10 = 0,8 •10 = 8 В.

Действующее значение U_синхр= 8/ = 5,7 В. Выбираем стандартное напряжение U_c = 6 В. Задавшись максимальным током ограничивающих диодов VD1 и VD2, I_в.max, равным 30 mA, определим величину токоограничивающего сопротивления R₁:

Интегратор на операционном усилители DA1.

Для осуществления плавной регулировки угла управления α амплитуда треугольного напряжения должна иметь достаточную величину. Примем U_м = 0,5 U_вых.max = 0,5•6 = 3 В. Для ограничения входных токов операционного усилителя при его работе в линейном режиме для используемого типа операционных усилителей рекомендуется последовательно со входом включить резистор ~100 кОм. Выбираем резисторы R2 и R3 = 91 кОм.

Выходное напряжение интегратора

Учитывая, что U_вх(t) ≈ const ≈ 0,8 В, а время интегрирования t = 0,5T_c = 10 мс, и Δ U_вх = 2U_m = 6 B, находим емкость С₁:

Выбираем стандартный конденсатор С₁ емкостью 15 нФ.

Для улучшения характеристик интегратора применяется отрицательная обратная связь по постоянному току с помощью резистора R4:

R₄ ≈ 10• R₂ = 10•91 = 910 (выбираем 1МОм).

Компараторы на DA3 и DA4

В схеме компаратора ОУ работает в импульсном режиме. Для импульсного режима работы компаратора ограничивающие резисторы, включаемые последовательно со входами усилителя, рекомендуется брать на порядок меньше, чем в линейном режиме, т.е. R6, R5, R10 и R11= 20 кОм.

Усилитель – инвертор на ОУ ДА2

Для получения коэффициент усиления усилителя К_у = -1 необходимо, чтобы R₇=R₈. Рекомендуемая величина R₈ = 91кОм (смотри пункт 2). Сопротивление R₉ должно быть равно сопротивлению параллельно включенных резисторов R₇ и R₈. Выбираем R₉ = 47 кОм.

Разделительные конденсаторы С₂ и С₃

Условие, которое необходимо выполнить:

Постоянная времени цепочек С₂-R₅ и С₃-R₁₀ должна быть больше периода напряжения сети переменного тока.

τ = С₂ •R₅ = C₃ • R₁₀ ≥ 5T, где T = Tc = 0,02 с.

Следовательно, С₂ = С₃ = τ/R = 5T/R = (5•2•10²)/(20•10³) = 5•10^-6 Ф =

5 мкФ.

Регулируемый делитель напряжения R₁₂ – R₁₃ – R₁₄.

Делитель питается от источника питания Еп = 24 В. Для обеспечения регулирования угла управления α в полном диапазоне, в крайних положениях движка потенциометра R₁₃, делитель должен обеспечивать напряжения:

U_min = 12 – U_m = 12- 3 = 9 В; U_max=12 +U_m = 12 + 3 = 15 В.

Следовательно, на R3 должно падать напряжение равное:

U_max – U_min = 15 – 9 = 6 В.

Приняв ток делителя I_дел = 5 мА (I_дел››I_{вх.комп}), находим величину сопротивления R₁₃:

Общее сопротивление делителя:

Дифференцирующие цепочки : С₄ - R₁₅ и C₅ - R₁₉.

В общем случае дифференцирующая цепь выбирается из условия, обеспечивающего величину постоянной времени дифференцирующей цепочки значительно большей, чем время включения тиристора (τ › t_вкл ), поскольку при индуктивном характере нагрузки, импульс управления тиристора должен иметь большую длительность, обеспечивающую надежность включения тиристора. Принимаем τ = 10t_вкл. Следовательно, принимая R₁₅ = 2 кОм, находим емкость C₄ и С₅:

(С4 и С5 ≈ 0,01 ÷ 0,025 мкФ).

Усилители мощности.

В качестве УМ выбираем схему составного эмиттерного повторителя. Размах напряжения на выходе компаратора:

Принимаем амплитудное значение импульса управления U_ymax = 12 В. С учетом допустимого значения тока управляющего электрода тиристора

I_{y max} = 0,3 А выбираем сопротивление ограничивающих резисторов R₁₈ и R₂₂:

В качестве транзисторов VT1 и VT4 выбираем транзисторы типа КТ315В, имеющих параметры U_кэmax=40 В, I_{к ср. max}=0,1 А, h_21Э=20.

Для надежной работы при повышенной температуре в эмиттерные цепи транзисторов ставим резисторы R₁₆, R₁₇, R₂₀, R₂₁ по 2 кОм каждый. Для окончательного выбора элементов схемы СУ необходимо определить выделяемую мощность в резисторах и максимальное рабочее напряжение на конденсаторах.

Мощность, выделяемая на резисторах P_{R maz}≤0,5 Вт;

Максимальное напряжение на конденсаторах: U_С‹ E_п=24 В.

Отметим, что в приведенном выше примере СИФУ управляемого выпрямителя опорный сигнал имеет пилообразную форму (смотри рисунок 51,в,г) и изменяется во времени по линейному закону.

(195) где U_оп.m- максимальное (амплитудное) значение опорного сигнала;

ωt- текущее значение временной координаты.

Форма опорного сигнала оказывает существенное влияние на регулировочную характеристику управляемого выпрямителя и на величину его коэффициента передачи.