RU37283U1 - Тиристорный преобразователь - Google Patents

Description

2463134457

s МПК7; Н02Р5/175

Тиристорный преобразователь

Полезная модель относится к системам промышленной автоматизации и может быть использована в качестве устройства управления двигателями постоянного тока, а также в качестве регулятора напряжения в цепях с активной, индуктивной или активноиндуктивной нагрузкой.

Известен тиристорный преобразователь преобразователь Тиристорный однофазный типа ПТО-М, производства Пржевальского электротехнического завода, паспорт ОДЖ 486206, выбранный в качестве прототипа, содержащий блок регулирования, блок импульснофазового управления, блок токовой отсечки и управляемый выпрямитель.

Блок регулирования состоит из генератора опорного напряжения, узла арифметических операций и усилителя сигнала ошибки. Выход генератора опорного напряжения подключен к первому входу узла арифметических операций. Второй вход узла арифметических операций подключен к входу тиристорного преобразователя, который, в свою очередь, подключается к источнику обратной связи. Выход узла арифметических операций подключен к входу усилителя сигнала ошибки.

Блок импульсно-фазового управления состоит из сетевого трансформатора, первого выпрямителя, генератора пилообразного напряжения и узла формирования и распределения импульсов. К первичной обмотке трансформатора подключается переменное напряжение 220В 50 Гц. Первая и вторая вторичные обмотки сетевого трансформатора подключены, соответственно, к первому и второму входам первого выпрямителя. Выход первого выпрямителя подключен к первому входу генератора пилообразного напряжения, а второй вход данного генератора - к выходу усилителя сигнала ошибки. Выход генератора пилообразного напряжения подключен к входу узла формирования и распределения импульсов.

Блок токовой отсечки состоит из датчика тока, выполненного на трансформаторе тока, второго выпрямителя и нелинейного элемента. Выход датчика тока подключен к входу второго выпрямителя. Выход второго выпрямителя подключен к входу нелинейного элемента. Выход нелинейного элемента подключен к третьему входу узла арифметических операций.

Управляемый выпрямитель содержит два тиристора, два диода, две гальванические развязки и две защитные цепи, причем фаза сетевого напряжения подключается к точке соединения катода первого тиристора и анода первого диода, а ноль сетевого напряжения - к точке соединения

2.

катода второго тиристора и анода второго диода. Аноды первого и второго тиристоров и соединены и подключены к первому входу датчика тока. Катоды первого и второго диодов соединены между собой и подключены к первому выходу тиристорного преобразователя, а второй выход тиристорного преобразователя присоединен к второму входу датчика тока. Параллельно цепям сетевого напряжения включена первая защитная цепь, а параллельно выходу тиристорного преобразователя - вторая защитная цепь. К управляющему электроду и катоду первого тиристора подключены, соответственно, первый и второй выходы первой гальванической развязки, а к управляющему электроду и катоду второго тиристора подключены, соответственно, первый и второй выходы второй гальванической развязки. Вход первой и второй гальванических развязок подключены, соответственно, к первому и второму выходам узла формирования и распределения импульсов. Первая и вторая гальванические развязки реализованы на базе импульсных трансформаторов.

Педостатками этого тиристорного преобразователя являются большие габаритные размеры. Данный тиристорный преобразователь выполнен на устаревшей элементной базе без использования микропроцессорной техники. В результате чего схема тиристорного преобразователя достаточно сложна, так как имеется большое число дискретных элементов. Узлы гальванической развязки управляемого

выпрямителя выполнены на импульсных трансформаторах, т.е. на не технологичных элементах. Трансформатор тока, используемый в качестве датчика тока, имеет узкий диапазон линейности и низкую точностью измерения. Использование тиристорных преобразователей такого класса в промышленных условиях приводит к большим трудозатратам на ремонт и настройку.

Задачей полезной модели является повышение надежности и ремонтопригодности тиристорного преобразователя, упрошение схемы, уменьшение массогабаритных показателей, удешевление конструкции, повышение точности управления.

Поставленная задача решена за счет того, что тиристорный преобразователь, так же как в прототипе, содержит вход для подключения источника обратной связи, датчик тока, сетевой трансформатор, первичная обмотка которого подключена к сетевому напряжению, управляемый выпрямитель, содержаший два полупроводниковых вентиля, два диода и две помехозашитные цепи, причем фаза сетевого напряжения подключена к катоду первого полупроводникового вентиля и аноду первого диода, ноль сетевого напряжения подключен к катоду второго полупроводникового вентиля и аноду второго диода, аноды первого и второго полупроводниковых вентилей подключены к первому входу датчика тока, катоды первого и

.

второго диодов подключены к первому выходу тиристорного преобразователя, второй выход тиристорного преобразователя и второй вход датчика тока соединены, две защитные цепи, включенные параллельно цепям сетевого напряжения и выходам тиристорного преобразователя.

Согласно полезной модели в управляемом выпрямителе в качестве двух полупроводниковых вентилей выбраны оптотиристоры, причем входы управления первого и второго оптотиристоров подключены, соответственно, к выходам первого и второго усилителей мощности. Вторичная обмотка сетевого трансформатора подключена к первому входу узла суммирования, второй вход узла суммирования связан с источником постоянного напряжение смещения, а его выход подключен к соответствующему входу первого микроконтроллера. Другой вход первого микроконтроллера подключен к источнику постоянного напряжения смещения, при этом к соответствующим выходам первого микроконтроллера подключены входы первого и второго усилителей мощности, а к соответствующим входам первого микроконтроллера подключены первый и второй входы тиристорного преобразователя. Первый и второй входы второго микроконтроллера подключены к выходу сглаживающего фильтра, вход которого подключен к выходу датчика тока. Третий вход второго микроконтроллера связан с источником постоянного опорного

напряжения. Его первый и второй выходы подключены, соответственно, к входам первой и второй гальванических развязок, выходы которых подключены к соответствующим входам первого микроконтроллера. Кроме того устройство содержит пульт управления связанный с первым микроконтроллером.

Использование современной элементной базы позволяет существенно упростить схему за счет того, что практически все функции реализуются на первом микроконтроллере. Простая схема тиристорного преобразователя приводит к малым габаритным размерам, что улучшает массогабаритные показатели, существенно снижает цену, а также существенно увеличивает ремонтопригодность, что приводит к снижению материальных и физических затрат. Наличие второго микроконтроллера позволяет точно измерять величину тока в широком диапазоне его изменения, и обнаруживать превышение током нагрузки максимально допустимого значения, а наличие узлов первой и второй гальванических развязок делает канал измерения тока гальванически развязанным от цепей высокого напряжения. Использование оптотиристоров позволяет объединить в одном элементе узел гальванической развязки и тиристор. Наличие пульта управления делает процесс настройки и корректировки различных параметров тиристорного преобразователя простым и удобным для пользователя.

-6-,,

На фиг. 1 представлена структурная схема тиристорного преобразователя.

На фиг. 2 представлена структурная схема управляемого выпрямителя.

Тиристорный преобразователь выполнен в виде двух модулей: основного модуля и модуля пульта управления. Основной модуль (фиг. 1) содержит входную обмотку сетевого трансформатора 1. Выходная обмотка сетевого трансформатора 1 подключена к первому входу узла суммирования 2. Второй вход узла суммирования 2 подключен к источнику постоянного напряжения смещения Первый вход первого микроконтроллера 3 (МК1) подключен к источнику постоянного напряжения смещения второй вход первого микроконтроллера 3 (МК1) подключен к выходу узла суммирования 2. Нервый выход первого микроконтроллера 3 (МК1) подключен к входу первого усилителя мощности 4 (УМ1), а второй выход - к входу второго усилителя мощности 5 (УМ2). Входы тиристорного преобразователя «обратная связь и «аналоговая уставка подключены, соответственно, к третьему и четвертому входам первого микроконтроллера 3 (МК1). Выход датчика тока 6 (ДТ) подключен к входу сглаживающего фильтра 7, выход которого, в свою очередь, подключен к первому и второму входам второго микроконтроллера 8 (МК2). Источник постоянного

опорного напряжения С/ подключен к третьему входу второго микроконтроллера 8 (МК2). Первый и второй выходы второго микроконтроллера 8 (МК2) подключены, соответственно, к входам первой и второй гальванической развязки 9 и 10. Выход первой гальванической развязки 9 подключен к пятому входу первого микроконтроллера 3 (МК1), а выход второй гальванической развязки 10 - к шестому. Пульт управления 11 (ПУ) содержит индикатор, дешифратор и клавиши управления. Аноды индикатора и входы дешифратора подключены к соответствуюш;им выходам первого микроконтроллера 3 (МК1), катоды индикатора подключены к выходам дешифратора, клавиши управления подключены к входам первого микроконтроллера.

Управляемый выпрямитель 12 (УВ) (фиг. 2) содержит фазу сетевого напряжения подключенную к точке соединения катода первого оптотиристора 13 и анода первого диода 14 и ноль сетевого напряжения подключенный к точке соединения катода второго оптотиристора 15 и анода второго диода 16. Параллельно цепям сетевого напряжения включена первая защитная цепь 17 (ЗЦ1), а параллельно выходам тиристорного преобразователя - вторая заш;итная цепь 18 (ЗЦ2). Аноды первого и второго оптотиристоров 13 и 15 соединены и подключены к первому входу датчика тока 6 (ДТ). Катоды первого и второго диодов 14

--ji)

И 16 соединены между собой и подключены к первому выходу тиристорного преобразователя. Второй вход датчика тока 6 (ДТ) и второй выход тиристорного преобразователя соединены. Выход первого 4 (УМ1) и второго 5 (УМ2) усилителя мощности подключены, соответственно, к входам управления «Откр и «Откр2 первого 13 и второго 15 оптотиристоров.

В качестве сетевого трансформатора 1 может быть выбран трансформатор серии ТПК-2. Узел суммирования 2 выполнен на двух последовательно соединенных резисторах. В качестве первого микроконтроллера 3 (МК1) может быть выбран однокристальный микроконтроллер с интегрированной периферией имеющий не менее 24 линий дискретного ввода/вывода и 2 линий аналогового ввода например, типа AT90S8535 (производитель фирма Atmel). Первый 4 (УМ1) и второй 5 (УМ2) усилители мощности могут быть выполнены на маломощном биполярном транзисторе, включенным по схеме с общим эмиттером, и двух резисторах включенных в базовую и коллекторную цепи транзистора. В качестве датчика тока 6 (ДТ) может быть выбран использовать стандартный токоизмерительный шунт типа 75ШСМЗ. Сглаживающий фильтр 7 может быть выполнены в виде последовательно соединенных конденсатора и резистора. В качестве второго микроконтроллера 8 (МК2) может быть выбран однокристальный микроконтроллер с интегрированной периферией

)

имеющий не менее 5 линий дискретного ввода/вывода и 1 линии аналогового ввода например, типа ATTinylSL (производитель фирма Atmel). В качестве первой 9 и второй 10 гальванической развязки возможно использование транзисторного оптрона, например АОТ101АС. Пульт управления 11 (ПУ) может быть выполнен с использованием полупроводникового светодиодного индикатора, микросхемы дешифратора и клавиатуры, В качестве первого 13 и второго 15 оптотиристоров могут быть использованы оптотиристоры типа ТО 125. В качестве первого 14 и второго 16 диодов могут быть использованы кремниевые диоды типа КД203. Первая 17 (ЗЦ1) и вторая 18 (ЗЦ2) защитные цепи могут быть выполнены в виде последовательно соединенных конденсатора и резистора, либо варистора.

Тиристорный преобразователь производит коммутацию однофазного напряжения 220В, 50 Гц на нагрузку с необходимым углом отпирания оптотиристоров, в зависимости от величины рассогласования уставки и сигнала обратной связи.

Первое напряжение смещения 7,, подается на первый вход первого микроконтроллера 3 (МК1). На первый вход узла суммирования 2 подается второе напряжение смещения U. а на его второй вход сетевое напряжение 220 В, 50 Гц предварительно пониженное сетевым трансформатором 1. Выходное напряжение узла суммирования 2

-10-л:к /еуу т представляет собой синусоидальный сигнал частотой 50 Гц имеющий постоянную составляющую равную половине Первый и второй входы первого контроллера 3 (МК1), предназначенные для синхронизации с сетевым напряжением, являются, соответственно, инвертирующим и не инвертирующим входами компаратора напряжений входящего в состав первого микроконтроллера 3 (МК1). В момент когда напряжение на втором входе переходит через уровень равный f/(., компаратор напряжений первого микроконтроллера 3

(МК1) формирует импульс синхронизации, что соответствует моменту перехода сетевого напряжения через ноль. Наличие постоянной составляющей в выходном сигнале узла суммирования 2 необходимо для нормальной работы входных каскадов компаратора. Кроме того, в моменты времени соответствующие половине полупериода сетевого напряжения первый микроконтроллер 3 (МК1) анализирует логическое состояние второго входа. Если на данном входе присутствует напряжение соответствующее логической единице, - это означает, что данная полуволна сетевого напряжения имеет положительную полярность, а, следовательно, следующая полуволна будет иметь отрицательную полярность. Если втором на входе первого микроконтроллера 3 (МК1) присутствует напряжение логического нуля - текущая полуволна имеет отрицательную полярность, а следующая полуволна будет иметь положительную полярность.

-и-JlZ b/ yy

Для управления выпрямителем 12 (УВ), в зависимости от полярности полуволны сетевого напряжения, первый микроконтроллер

3(МК1) формирует сигналы управления на первом, либо на втором дискретном выходе. С первого и второго дискретных выходов импульсы управления амплитудой 5 В поступают на вход, соответственно, первого

4(УМ1) и второго 5 (УМ2), где усиливаются по току и напряжению. Выходы первого 4 (УМ1) и второго 5 (УМ2) усилителей мощности формируют мощные сигналы управления оптотиристорами, которые поступают на первый «Откр и второй «Откр2 управляющие входы, соответственно, первого 13 и второго 15 оптотиристоров. Если на управляющий вход первого оптотиристора 13 «Откр от первого микроконтроллера (МК1) поступает сигнал и текущая полуволна сетевого напряжения имеет отрицательную полярность, то первый оптотиристор 13 открыт и через второй диод 16 и нагрузку протекает ток. Если на управляющий вход второго оптотиристора 15 «Откр2 поступает сигнал и текущая полуволна сетевого напряжения имеет положительную полярность, то открыт второй оптотиристор 15 и ток протекает через первый диод 14 и нагрузку. Первая 17 и вторая 18 защитные цепи демпфируют резкие броски напряжения по цепям питания и на выходе тиристорного преобразователя предохраняя оптотиристоры от самопроизвольного отпирания.

-12-.3/3V/ V

Напряжение обратной связи, через вход «обратная связь тиристорного преобразователя, подается на третий, а напряжение аналоговой уставки, через вход «аналоговая уставка тиристорного преобразователя, - на четвертый вход первого микроконтроллера 3 (МК1). Первый микроконтроллер 3 (МК1) сравнивает величину сигнала обратной связи и сигнала уставки (внешней аналоговой, либо внутренней цифровой задаваемой при помощи пульта управления). В зависимости от величины и знака рассогласования уставки и обратной связи и от заданного закона регулирования, первый микроконтроллер 3 (МК1) увеличивает или уменьшает угол отпирания оптотиристоров управляемого выпрямителя 12 (УВ), что соответствует уменьшению или увеличению длительности паузы между моментом перехода сетевого напряжения через ноль и моментом подачи импульса управления выпрямителем. Угол отпирания тиристоров изменяется до тех пор, пока величина уставки не станет равной величине обратной связи.

Ток нагрузки, протекая через датчик тока 6 (ДТ), приводит к появлению напряжения на его выходе, которое через сглаживающий фильтр 7 поступает, соответственно, на первый и второй входы второго микроконтроллера 8 (МК2). На третий вход второго микроконтроллера 8 (МК2) подается постоянного опорное напряжение f/.

-13- /5 /-

Второй микроконтроллер 8 (МК2) непрерывно сравнивает выходное напряжение сглаживающего фильтра 7 с опорным напряжением V . Если выходное напряжение данного фильтра меньше

U()fj, то на первом выходе второго микроконтроллера 8 (МК2)

присутствует напряжение соответствующее логической единице, в противном случае - логическому нолю. Выходное напряжение первой гальванической развязки 9 поступает на пятый вход первого микроконтроллера 3 (МК1). Изменения логического уровня напряжения на пятом входе интерпретируется первым микроконтроллером 3 (МК1), как возникновение короткого замыкания, в результате чего данный контроллер перестает выдавать импульсы управления выпрямителем. Инерционность сглаживающего фильтра 7 и величина опорного напряжения и выбираются так, чтобы импульсы пускового тока не приводили к срабатыванию защиты от короткого замыкания.

Также второй микроконтроллер 8 (Ж2) преобразует выходное напряжение сглаживающего фильтра 7 в двоичный код, пропорциональный величине тока нагрузки. Далее этот двоичный код при помощи асинхронного передатчика преобразуется в импульсы напряжения, которые через гальваническую развязку 10 поступает на щестой вход первого микроконтроллера 3 (МК1). Р1мпульсы напряжения на щестом входе преобразуются в двоичный код, пропорциональный

- 4-J S/ величине тока нагрузки. В случае если ток нагрузки превышает заданное максимальное значение, тиристорный преобразователь переходит в режим стабилизации тока.

Пульт управления 11 (ПУ) обменивается информацией с первым микроконтроллером 3 (МК1). От него в микроконтроллер поступают команды управления, а обратно возвращаются данные о величине сигнала обратной связи, уставок, параметрах настройки алгоритма управления и режиме работы тиристорного преобразователя.

Claims (1)

1. Тиристорный преобразователь, содержащий вход для подключения источника обратной связи, датчик тока, сетевой трансформатор, первичная обмотка которого подключена к сетевому напряжению, управляемый выпрямитель, содержащий два полупроводниковых вентиля, два диода и две помехозащитные цепи, причем фаза сетевого напряжения подключена к катоду первого полупроводникового вентиля и аноду первого диода, ноль сетевого напряжения подключен к катоду второго полупроводникового вентиля и аноду второго диода, аноды первого и второго полупроводниковых вентилей подключены к первому входу датчика тока, катоды первого и второго диодов подключены к первому выходу тиристорного преобразователя, второй выход тиристорного преобразователя и второй вход датчика тока соединены, две защитные цепи, включенные параллельно цепям сетевого напряжения и выходам тиристорного преобразователя, отличающийся тем, что в управляемом выпрямителе в качестве двух полупроводниковых вентилей выбраны оптотиристоры, причем входы управления первого и второго оптотиристоров подключены, соответственно, к выходам первого и второго усилителей мощности, кроме того, вторичная обмотка сетевого трансформатора подключена к первому входу узла суммирования, второй вход узла суммирования связан с источником постоянного напряжение смещения, а его выход подключен к соответствующему входу первого микроконтроллера, к другому входу первого микроконтроллера подключен к источнику постоянного напряжения смещения, при этом к соответствующим выходам первого микроконтроллера подключены входы первого и второго усилителей мощности, а к соответствующим входам первого микроконтроллера подключены первый и второй входы тиристорного преобразователя, первый и второй входы второго микроконтроллера подключены к выходу сглаживающего фильтра, вход которого подключен к выходу датчика тока, третий вход второго микроконтроллера связан с источником постоянного опорного напряжения, а его первый и второй выходы подключены, соответственно, к входам первой и второй гальванических развязок, выходы которых подключены к соответствующим входам первого микроконтроллера, при этом пульт управления связан с первым микроконтроллером.