Выбор силовой схемы реверсивного тиристорного преобразователя

 

Выбираем  значение сопротивлений резисторов R3 и R4 в пределах 15…30 кОм, причем R₃ = R₄ . тогда коэффициент передачи усилителя на  ОУ DA1 будет равен единице.

Амплитудное значение  опорного напряжения на выходе инвертора принимается в диапазоне

U_опт=1.2×U_{зад max}=1,2 ., где U_{зад max} =-2 В (по заданию).

При этом необходимо проверить  выполнение условия

U_оп.тax £ U_вых.max,

где U_{вых. max} – максимальное напряжение на выходе выбранного ОУ DA1 (напряжение насыщения).

Поскольку амплитудное  значение фазного напряжения вторичной  обмотки трансформатора синхронизации  превышает U_оп..тax, то на входе инвертора необходимо применять делитель напряжения (R1, R2). коэффициент передачи делителя напряжения

,

где U_2mсинх =Ö2·U_2синх – амплитудное значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора синхронизации.

Так как делитель напряжения является источником по отношению к инвертирующему усилителю, то должно выполняться условие R₂<<R₃

значение сопротивления резистора R2 принимается в пределах 1.0…2.0 кОм и из соотношения получаем

из стандартного ряда выбираем резистор R1 с сопротивлением близким к расчетному.

рассмотрим схему генератора с линейным пилообразным (треугольным) напряжением (рис.4.3). В его состав входят компаратор на DA2 и интегратор на DA3.

 

 

 

Для правильной работы тиристоров преобразователя необходимо, как и в предыдущем случае, чтобы максимальное и минимальное значения опорного напряжения находились в точках естественной коммутации. данное условие, как видно из векторной (рис.4.4) и временных диаграмм (рис.4.5), может быть выполнено, если использовать трансформатор синхронизации с группой соединения обмоток D/Y – 1.

 

Компаратор на операционном усилители DA2 служит для преобразования синусоидально изменяющегося напряжения на входе в колебания прямоугольной формы на выходе (рис.4.5). Напряжение с трансформатора синхронизации подается на неинвертирующий вход ОУ, поэтому полярность выходных сигналов совпадает с полярностью входного. Амплитуда выходных прямоугольных импульсов равна максимальному выходному напряжению (напряжению насыщению) операционного усилителя DA2 (в зависимости от типа ОУ - U_вых.max = U_оу,нас= 10.0 … 13.0 В). Резисторы R5 и R6 уменьшают влияние входных токов ОУ, ограничивают ток через диоды VD1 и VD2 и защищают схему при возможных коротких замыканиях. Величина сопротивлений резисторов R5 и R6 принимается равной и выбираются из стандартного ряда в пределах 10 … 20 кОм. Амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора синхронизации U_2т.синх выбирается такое же, как в случае генератора косинусоидального опорного напряжения. Поскольку напряжение U_2т.синх может превышать максимально допустимое значение входного напряжения ОУ, то для защиты ОУ используют два диода VD1 и VD2, включенных  встречно-параллельно. Выбор диодов производим по прямому току I_a и максимальной величине обратного напряжения U_b.max с коэффициентом запаса равным 2.

I_a = 0.45·U_2синх / (R₅+R₆)= ,

  U_bmax =2·U_2т.синх= .

Исходя из условий I_пр  ³  I_a, U_обр ³ U_b.max выбираем маломощные универсальные или импульсные диоды и записываем его параметры [8]. Рекомендуемые типы диодов КД521А(Б), КД522А(Б), Д220.

Интегратор на ОУ DA3 преобразует прямоугольные колебания компаратора в линейно изменяющееся напряжение (рис.4.5). Напряжение на выходе интегратора в общем случае

Таблица 4.3 Параметры  диодов

Тип диодов	КД522Б
Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max,В	50
Обратное импульсное максимальное напряжение Uобр.и.max,В	75
Прямой максимальный ток Iпр.max, mA	100
Прямой максимальный импульсный ток Iпр.и.max, A	1,5
Время восстановления tвос.обр.,нс	4

 

    ,

где i_вх – входной ток интегратора;

t₁ – время интегрирования;

U_вых (0) – начальное значение выходного напряжения интегратора.

В нашем случае (рис.4.5) время интегрировании t₁= Т_с /2=10 мс. Период сетевого напряжения Т_с =20 мс. За это время напряжение на выходе интегратора изменяется от u_оп.max  до u_оп.min  или, наоборот, от u_оп.min  до u_оп.max. Максимальное значение  опорного напряжения принимается в диапазоне U_оп.тах=(1.05 … 1.2)×U_{зад. max}, но не выше напряжения насыщения выбранного операционного усилителя DA3.

Входной ток интегратора

,

где U_вых.max - максимальное значение напряжения на выходе компаратора.

Принимая максимальное напряжения на выходе интегратора равным u_оп.max , а начальное значение U_вых (0) = -u_оп.min , получаем

.

Откуда следует

.

Вычисляем значение С₁ .

Из справочника выбираем конденсатор со стандартным значением емкости, близким к расчетному С₁=20 нФ. Для более точной настройки u_оп.max рекомендуется сопротивление R₇   составить из двух стандартных резисторов: постоянного - R₇^’ и подстроечного - R₇^’’(рис.4.1). Значение R₇^’ принимается примерно равным 0.8·R₇=0,8*51*10³=40,8кОм, а R₇^’’» 0.3·R₇=0,3*51*10³=15,3кОм.

Выбираем стандартные  сопротивления R₇^’=43 кОм, R₇^’’=15кОм

 

 

 

 

4.2. Расчет и выбор элементов нуль-органа

 

С помощью нуль-органа опорное напряжение генератора сравнивается с управляющим напряжением U_упр преобразователя. Когда опорное напряжение в (процессе его увеличения или уменьшения) достигает напряжения U_упр  на  выходе нуль-органа, выполненного на операционном усилители DA4, возникает импульс, который поступает на формирователь отпирающих импульсов.

Принципиальная электрическая  схема нуль-органа представлена на рис.4.6, а диаграмма работы на рис.4.7.

 

Работает данная схема в соответствии со следующим алгоритмом

Выбираем  R₈=R₉=15кОм. Амплитудное значение опорного напряжения может достигать 5,04 В, а максимальное напряжение управления равно 4,2 В. Следовательно максимальное значение их разности  составляет 9,24 В, что превышает максимально допустимое значение входного напряжения ОУ. Поэтому для защиты ОУ ставим два диода, включенных встречно-параллельно. Выбор диодов производим по прямому току I_a и максимальной величине обратного напряжения U_bmax с коэффициентом запаса равным 2

I_a = (U_опт+ U_упр)/ (R₈+R₉ )= ,                 ,

U_bmax =2·(U_опт+ U_упр)= .

Исходя из условий I_пр  ³  I_a, U_обр ³ U_bmax выбираем маломощные  диоды КД522Б. Данные диодов занесены в таблицу 4.3

4.3. Расчет и  выбор формирователя длительности и

 распределителя импульсов

 

Формирователь длительности импульсов служит для формирования отпирающих импульсов определенной длительности, которые через элементы логики поступают на усилитель и далее на управляемый тиристор.

Принципиальная электрическая  схема формирователя длительности импульсов и элементов  логики представлена на рис.4.8.

Формирователь  импульсов  собран  на  ОУ DА5. Он представляет собой дифференцирующее с замедлением звено, переходная функции которого описывается уравнением

,

где  , - постоянные времени.

Вход данной цепи подключен  к выходу нуль-органу, поэтому перепад напряжения на входе формирователя составит DUвх=2·U_{но,вых,max} =2×U_оу,нас=

Максимальную величину напряжения на выходе DA5 в момент переключения нуль-органа принимаем равной U_{вых.max DA5} (рис. 4.9).

Для нормального открытия тиристоров необходимо обеспечить длительность импульса .

Время импульса составит

мс.

Принимаем t_и=0,5мс.

Величину напряжения U_имп на выходе DA5 в момент времени t = t_и принимают равным не менее уровня логической единицы элемента DD1.1. Если логический элемент DD1.1 серии К561, то U_имп = 8…10 В (рис. 4.9).

 подставим в переходную функцию значения DU_вх и U_{вых.max.DA5} в начальный момент времени  t=0

.

Тогда получим

U_вых,max/ U_вх=

Далее, подставляя в соотношение  значения U_вых=U_имп; U_вх=DU_вх=10,08 В;  и время t=t_и= 0,5мс, находим T₂

.

Принимаем из стандартного ряда величину С₂ в пределах 82…150 нФ, определяем сопротивление R₁₀

 и выбираем ближайшее стандартное  значение.

Из соотношения    рассчитываем значение R₁₁.

R₁₁= . Принимаем R₁₁=3,2 кОм

Из критерия величины нагрузки для ОУ (R_наг,min > 4.0 кОм) выбираем R₁₂=20 кОм.

Из критерия величины нагрузки для ОУ (R_н.min > 2.0 … 10 кОм) выбираем стандартное значение R12 из диапазона 5.1….20 кОм.

для согласования сигналов формирователя длительности импульсов по уровню и знаку с логическими элементами распределителя служит маломощный стабилитрон VD5, напряжение стабилизации U_cт которого выбирают в зависимости от серии используемых цифровых микросхем. Для микросхем серии К155– U_cт= 3.9…4.7 В. Параметры выбранного стабилитрона заносим в таблицу 4.4.

Таблица 4.4

Тип стабилитрона	2С147А
Напряжение стабилизации Uст.ном.,В	4,7
Ток стабилизации Iст.,mA	10
Максимальная рассеиваемая мощность Pmax, мВт	300
Температура стабилизации Тс, С	50
Минимальное напряжение стабилизации Uст.min,В	4,23
Максимальное напряжение стабилизации Uст.max,В	5,17
Минимальный ток стабилизации Iст.min,mA	3
Максимальный ток стабилизации Iст.max,mA	58

 

Распределить импульсов  выполнен на логических элементах    И-НЕ (DD1.1, DD1.2) и ИЛИ-НЕ (DD2.1, DD2.2) и служит для формирования фронтов импульсов управления, создания связи с электронной защитой преобразователя и взаимодействия с другими формирователями импульсов.

 

4.4. Расчет и  выбор усилителя импульсов

 

Мощность импульсов, получаемых на выходе логических элементов, недостаточна для открытия тиристора. Усилитель импульсов предназначен для усиления импульсов перед их подачей в цепь управляющего электрода силового тиристора.

Принципиальная электрическая  схема усилителя импульсов представлена на рис.4.10.

Примем, что импульсный трансформатор Т3 на схеме (рис.4.8) имеет  число витков первичной обмотки W₁ =400, а вторичной W₂ – в 2  раза меньше.

коэффициент трансформации трансформатора ,

Тогда максимальное значение напряжения импульса управления

,        (4.9)

где U_п – напряжение питания выходных усилителей.  
Значение напряжения  U_п = 10,08В

Зная значение тока управления открытия тиристора I_упр  (табл.2.2), находим сопротивление цепи управления

.          

Падение напряжения на управляющем  электроде VS1.1 и прямое на диоде принимаем по 0,7 В, отсюда находим их эквивалентное сопротивление

.          

Для ограничения тока управления VS1.1 необходимо дополнительное сопротивление R₁₇= R_цу - R_э, которое выбирают из стандартного ряда.

напряжение стабилизации стабилитрона VD7 выбирается исходя из максимального допустимого напряжения на управляющем электроде тиристора (можно принять 12 … 15 В). Ток стабилизации I_стаб.VD7  и прямой ток I_пр.VD7 через VD7 не должны превышать максимально допустимого значения для выбранного стабилитрона

                 I_стаб.max ³ I_стаб.VD7 = (U_упр - U_стаб.VD7)/ R₁₇ .

               I_.max ³ I_пр.VD7 = (U_упр – U_пр.VD7)/ R₁₇= ,

 

где U_пр.VD7 - прямое падение напряжения на стабилитроне, можно принять 0.7 В.

диод VD6 выбирают по прямому току и обратному напряжению с коэффициентом запаса равным 2 Параметры выбранного стабилитрона заносим в таблицу 4.5.

Таблица 4.5

Тип стабилитрона	Д815Е
Напряжение стабилизации Uст.ном.,В	15
Ток стабилизации Iст.,mA	500
Максимальная рассеиваемая мощность Pmax, мВт	8000
Температура стабилизации Тс, С	75
Минимальное напряжение стабилизации Uст.min,В	13,3
Максимальное напряжение стабилизации Uст.max,В	16,4
Минимальный ток стабилизации Iст.min,mA	25
Максимальный ток стабилизации Iст.max,mA	550