Тиристорный преобразователь для управления активно-индуктивной нагрузкой применительно к управлению электромагнитными клапанами газового дизель-генератора

№ 1’2012
PDF версия
Одной из задач разработчиков современных силовых преобразователей, управляющих высокоэнергетической нагрузкой, является достижение высокого КПД. В этом плане интересен преобразователь, созданный для управления электромагнитным клапаном (ЭМК) мембранного типа газового дизель-генератора. Управление ЭМК ведется посредством силового тиристорного преобразователя (СТП), построенного на основе тиристорной триггерной ячейки.

На рис. 1а представлена простейшая схема тиристорной тригерной ячейки. В качестве нагрузки в ней используются два резистора. Принцип работы схемы прост. Как известно, чтобы закрыть тиристор, надо, чтобы проходящий через него ток упал ниже тока удержания, при котором тиристор еще открыт. Самый простейший способ сделать это — оборвать цепь анода (катода), т. е. непосредственно убрать ток через тиристор. Данная схема предполагает наличие механических контактов, срок службы которых довольно мал и быстродействие невелико. Другой способ запирания основывается на том, что тиристор — это однопроводящий прибор. При отрицательном напряжении на тиристоре через него течет ток, которым можно пренебречь. На приложении отрицательного напряжения и базируется схема на рис. 1а.

Тиристорная триггерная ячейка

Рис. 1. Тиристорная триггерная ячейка:
а) функциональная схема;
б) временная диаграмма работы

Положим, что на момент рассмотрения работы схемы (момент времени t0) все переходные процессы завершились, и схема находится в установившемся состоянии. По приходу импульса отпирания (положительный перепад импульса Q) тиристор VS1 открывается, и емкость C1 заряжается по пути En+–R2–C1–VS1–En. Это характеризуется экспоненциальным спадом напряжения на тиристоре до некоторого уровня (до остаточного напряжения на тиристоре). По отрицательному перепаду импульса Q происходит открытие VS2. Полагая, что тиристор идеальный, получим, что к первому тиристору прикладывается напряжение емкости в отрицательной полярности, эмулируя источник отрицательного напряжения с амплитудой En, при этом ко второму тиристору приложено двойное напряжение питания. Это приводит к запиранию первого тиристора. При этом происходит перезаряд емкости по пути En+–R1–C1–VS2–En–, что видно на диаграмме (рис. 1б) в виде экспоненциального роста напряжения на первом тиристоре и спада на втором. Второй же тиристор запирается, только когда приходит положительный перепад импульса Q. Теперь отрицательное напряжение на емкости прикладывается ко второму тиристору. С приходом очередного импульса процесс повторяется.

Основными достоинствами тиристоров и устройств на тиристорах являются:

  • Отсутствие потребления энергии по цепи управления тиристором (для открытия тиристора требуется лишь импульс, после открытия тиристора сигнал на управляющем электроде (УЭ) можно убрать).
  • Простота схем управления тиристорными преобразователями при работе на переменном напряжении (требуется лишь задать момент включения, тиристор сам закроется при отрицательной полуволне напряжения).
  • Большой коэффициент передачи по мощности. Тиристор способен коммутировать большие токи и напряжения, например при токе отпирания в десятки миллиампер и напряжении на УЭ в 5 В способен комму-тировать сотни вольт и десятки ампер.
  • Достаточно быстрое время включения.

Основным недостатком является сложность схемы управления при работе на постоянном токе. Требуется принудительно организовывать запирание тиристора, что значительно усложняет схему управления.

Это, пожалуй, самый главный недостаток схем с тиристорами.

Если использовать RL-нагрузку, то в цепи перезаряда емкости С1 En+–R1–C1–VS2–En об-разуется колебательный переходный процесс. Из этого следует, что при определенных значениях Rн, Lн, C1 может оказаться, что перерегулирование такое, что происходит заброс процесса в отрицательные напряжения, а следовательно, это отрицательное напряжение приложено и ко второму тиристору, что, при достаточной мощности этого переходного процесса, может закрыть его (VS2).

Как видно, в общем случае от источника питания постоянно потребляется ток (не будем учитывать ток потребления маломощной схемы управления). Если же колебательный переходный процесс закрывает второй тиристор, то потребление тока отсутствует. Суть модификации схемы рис. 1а и заключается в обеспечении принудительного закрытия второго тиристора (в случае необходимости), параллельно реализовано и принудительное закрытие первого тиристора (в случае аварийной ситуации) и реализована защита от КЗ.

На рис. 2 представлена модифицированная схема — это силовой герконово-тиристорный преобразователь (СГТП). Герконы в случае аварийной ситуации (ток через первый тиристор, в случае если емкость не дала ожидаемого эффекта, ток через второй тиристор, КЗ) закорачивают тиристоры, тем самым снижая ток через них ниже тока удержания, что при-водит к закрытию всех тиристоров. В качестве датчиков тока используются оптопары, которые поступают в микропроцессорную схему управления. Приведенная схема рассчитана при питающем напряжении 24 В.

Схема силового блока по схеме СГТП и функциональная схема микропроцессорной схемы управления. ЭСБПиСУ – электрическая схема блока преобразования и согласования уровней

Рис. 2. Схема силового блока по схеме СГТП и функциональная схема микропроцессорной схемы управления. ЭСБПиСУ – электрическая схема блока преобразования и согласования уровней

Резисторы в цепи светодиодов оптронов рассчитываются исходя из тока в 10 мА и с учетом падения напряжения на самом светодиоде UVD (1,2–2 В). Резистор, шунтируемый оптроном, может выбираться исходя из того, чтобы на нем было напряжение URоптрон = = UVD + 5…10%, тогда не требуется последовательного резистора. Пример этого показан на рис. 2, это резистор R3. При указанном токе клапана напряжение на нем не превысит 2 В, что составляет UVD. Резистор R2 рассчитывается исходя из условия срабатывания оптрона при КЗ в остальной части схемы.

Схема имеет два существенных недостатка:

  1. Хрупкие герконы. С этим можно смириться, так как герконы должны срабатывать редко и при условии, что они имеют виброзащиту.
  2. Сложность схемы управления. Герконы, как «идеальный электронный ключ», имеют специфическую схему замыкания — электромагнитное поле.

Основное достоинство — повышенное КПД, так как обеспечивается исключение протекания тока в схеме тогда, когда это не нужно. В среднем КПД повышается в 1,35–1,75 раза, в зависимости от частоты управляющего сигнала Q, генерируемого в программе МК.

При малых коммутируемых токах и напряжениях герконы можно заменить транзисторами, но с эквивалентными тиристору параметрами, так как на время запирания тиристора именно транзистор берет на себя ток тиристора. Но здесь появляются свои плюсы и минусы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.