Новая концепция регулирования нагрузок большой мощности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Компоненты и технологии, № 8'2004

Новая концепция регулирования

нагрузок большой мощности

В настоящее время одной из актуальных задач силовой электроники является регулирование мощности, выделяемой в различных нагрузках систем промышленной автоматики во многих отраслях промышленности. Специалистами фирмы «Электрум АВ» разработаны и производятся монолитные тиристорные модули, позволяющие регулировать нагрузки с рабочим током до 250 А. Важной особенностью этих модулей является наличие встроенных интерфейсных устройств, позволяющих напрямую подключать такие регуляторы к контроллерам со стандартными токовыми и потенциальными сигналами (4-20 мА, 0-5 В, 0-10 В).

Сергей Волошин, Николай Шурин

[email protected]

Полупроводниковые оптоэлектронные модули регуляторов мощности М25 предназначены для изменения подводимого к нагрузке напряжения — регулирования мощности, передаваемой в нагрузку от сети переменного тока.

Модули М25 являются ведомыми сетью тиристорными преобразователями, где применен фазовый метод регулирования переменного напряжения, при котором изменение действующего значения переменного напряжения на нагрузке производится изменением длительности открытого состояния одного из включенных встречно-параллельно тиристоров в течение полупериода частоты сети.

В модулях М25 реализован принцип синхронного импульсно-фазового управления, при котором производится регулирование фазы управляющих импульсов (изменение момента подачи отпирающих импульсов на тиристоры по отношению к синусоидально изменяющейся кривой напряжения сети).

Структурная схема и функциональное назначение узлов модуля М25 показаны на рис. 1.

^ 0

0 ФСУ +

Уа0 1 Рис. 1. Структурная схема модуля М25

Генератор опорного напряжения ГОН совместно с нуль-органом НО представляют фазосдвигающее устройство ФСУ вертикального типа управления.

ГОН формирует напряжение пилообразной формы, синхронизированное с напряжением сети. С помощью НО опорное напряжение сравнивается с управляющим сигналом Уа. Когда опорное напряжение в процессе его увеличения (либо уменьшения) достигает величины Уа, на выходе НО возникает импульс, поступающий в усилитель-формирователь УФ. УФ подает импульс включения к управляемым вентилям УВ.

Пилообразное напряжение ГОН и формируемый импульс синхронизированы во времени с напряжением сети переменного тока. Изменением величины Уа производится сдвиг во времени выходного импульса и регулирование угла а, а следовательно, и выходного напряжения преобразователя.

Функциональная схема модуля М25 представлена на рис. 2, функциональное назначение выводов отражено в таблице 1.

Гальванически изолированная схема определителя перехода напряжения сети через ноль формирует синхронизирующие импульсы ^ с частотой, кратной частоте сети, при уровне контролируемого напряжения менее 30 В. Диаграммы напряжений, для наглядности выполненные не в масштабе, показаны на рис. 3.

Фазовый регулятор формирует сигнал угла управления а, отсчитываемый от начала полупериода напряжения сети и зависящий от величины управляющего сигнала Уа.

Таблица 1. Функциональное назначение выводов

модуля М25

Наименование Назначение

^ит Напряжение питания модуля

УПР Вход сигнала управления

УПР. МИН Минус сигнала управления

ОБЩ Общий минус цепей питания и управления

Вх1, Вх2 Входы контроля напряжения сети

Вых1, Вых2 Выходы тиристорного преобразователя

Компоненты и технологии, № 8'2004

Таблица 2. Основные технические данные и характеристики входных цепей

Сигнал управления (в зависимости от варианта исполнения модуля)

1. Значение сигнала управления при нулевой мощности В 5±0,5 10±1 - - 0±0,5 0±1 - -

мА - - 20±2 5±0,5 - - 4±0,4 0±0,5

2. Значение сигнала управления при полной мощности В 0 0 - - 5 10 - -

мА - - 4 0 - - 20 5

Оптоэлектронный драйвер по сигналу управления а формирует и распределяет отпирающие импульсы на управляющие электроды силовых тиристоров.

Допускаемая величина повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии силовых тиристоров составляет 1200 В, обеспечивая надежность изделия при возникновении перенапряжений, зависящих от характера нагрузки.

Преобразователь сигнала управления в зависимости от варианта исполнения модуля производит преобразование управляющего сигнала четырех видов (0-5 В; 0-10 В; 4-20 мА; 0-5 мА) в сигнал Уа для двух типов характеристики управления. Зависимость угла проводимости тиристоров (времени, в течение которого тиристоры проводят ток) от относительной величины управляющего сигнала показана на графиках рис. 4.

При изменении величины среднеквадратичного значения коммутируемого напряжения происходит изменение длительности синхронизирующих импульсов ^ и, соответственно, некоторое уменьшение угла проводимости тиристоров. Зависимость угла проводимости тиристоров от величины коммутируемого напряжения отражена в таблице 3.

Гибридная сборка модуля М25 конструктивно выполнена в прямоугольном металлопластмассовом корпусе герметичной конструкции. Силовая часть модулей выполнена на тиристорных структурах с предельно допустимым напряжением 1200 В, устойчивых к скорости нарастания напряжения не хуже

Таблица 3. Зависимость угла проводимости тиристоров от величины коммутируемого напряжения

Величина коммутируемого напряжения, среднеквадратичное значение, ишм (В) 100 220 380 480

Величина угла проводимости, Фпров (град) 167,8 174,5 176,8 177,5

500 В/мкс, к скорости нарастания тока — не хуже 160 А/мкс и с падением напряжения в открытом состоянии не хуже 1,5 В. В зависимости от номинала приборы могут регулировать мощность с рабочим током 20, 63, 100, 200, 250 А, при этом импульсные токи (10 мс) составляют 160, 600, 1250, 2500, 3000 А.

На верхней поверхности корпуса расположены вертикальные выводы для подключения монтажных проводов. Корпус прибора изолирован от силовых цепей (напряжение изоляции не хуже 2500 В переменного тока). Электрические контакты управления и силовые контакты также изолированы друг от друга.

Нижняя металлическая поверхность корпуса является тепловыделяющей. Для обеспечения надежной работы модуля необходимо установить корпус модуля на теплоотвод (охладитель или конструктивный элемент).

Охладители обеспечивают работу силовых модулей с рабочим током I, который определяется из соотношения

125

0ХЕ4™

где Тср — температура окружающей среды, иост — падение напряжения в цепи протекания тока, 0 — тепловое сопротивление охладителя, определяемое из графиков для заданной скорости обдува. Габаритные чертежи охладителей и графики переходного теплового импеданса приведены в таблице 4.

Выпускаемые модули отличаются по типу характеристики управления, типу сигнала управления и номинальному току, соответ-

ствующему длительному допустимому среднеквадратичному току через прибор.

Система обозначений:

1. Наименование модуля:

• М25 — модуль регулятора мощности.

2. Характеристика управления:

• А — 100% сигнала управления соответствуют нулевой мощности;

• Б — 100% сигнала управления соответствуют полной мощности.

3. Вид сигнала управления:

• 1 — 0-5 В;

• 2 — 0-10 В;

• 3 — 4-20 мА;

• 4 — 0-5 мА.

4. Максимальный коммутируемый ток, среднеквадратичное значение:

• 20-20 А;

• 63-63 А;

• 100-100 А;

• 200-200 А;

• 250-250 А.

5. Пиковое значение коммутируемого напряжения:

• 12-1200 В.

Рекомендации по применению модулей регулирования мощности

Модули М25 являются тиристорными преобразователями переменного напряжения, построенные по синхронному принципу. Нормальная работа модулей возможна только при мощности питающей сети, многократно большей мощности нагрузки.

Возможные схемы подключения модулей М25 в цепь нагрузки показаны на рис. 5 и 6. Последовательное подключение синхронизирующей цепи с нагрузкой допускается при

О

Вх1

Вых1

М25

Вых2

Вх2

Цепь

защиты

-| нагрузка]—(5

=г

Вх1 Вых1 М25 “1

Цепь защиты і

Вх2 1

Рис. 5. Последовательное подключение синхронизирующей цепи с нагрузкой

Компоненты и технологии, № 8'2004

Таблица 4

Тип

охлади-

теля

Габаритный чертеж

Охл 27'

Охл 253

Охл 153

1=100, 1=250

170 ±1,5

[=100, Ь=25С

Л1

К:іГ

Я___

—1— 1х:та - N ^^ к \ \ к

1 К -

[=100, [=250

График переходного теплового импеданса контактная поверхность охладителя — окружающая среда (И„„,.ср) при скорости охлаждающего воздуха УВОз: 0 м/с - (1), 3 м/с - (2), 6 м/с - (3), 12 м/с - (4)

/С/Вт

Р |чохл

(0,35) 0,7

(0,3) 0,6

(0,25) 0,5

(0,2) 0,4

(0,15) 0,3

(0Л) 0,2

(0,05) 0,1

0

1

1

! 2

j

4 4

Ко»

(0,35) 0,7

(0,3) 0,6

(0,25) 0,5

(0,2) 0,4

(0,15) 0,3

(0,1) 0,2

(0,05) 0,1

0

Кохл-ср-'С/Вт

Кохлер- ’С/ВТ

(0,25) 0,5 (0,2) 0,4 (0,15) 0,3 (0,1) 0,2 (0,05) 0,1 0

Вх1 Вых1 М25 Вых2 Вх2 • 1 нагрузка 1н на

Цепь защиты

_т щ

Вх1 Вых1 М25 Вых2 Вх2

Цепь защиты

10° 101 Ю2 103 (,е

Значения в скобках — для длины [=250

'

/

2 3

"7

100 101 102 103 с

Значения в скобках — для длины [=250

і

/

2

/ 3

100 Ю1 ю2 юз |,с

Значения в скобках — для длины [=250

Рис. 6. Параллельное подключение синхронизирующей цепи с нагрузкой

величине коэффициента мощности нагрузки соэф > 0,9. Схема с параллельным подключением синхронизирующей цепи является более помехоустойчивой.

При сильных помехах, поступающих из питающей сети, подключение синхронизирующей цепи следует произвести через разделительный трансформатор с Ктр я 1 и мощностью не менее 2 Вт.

При монтаже не допускается прокладывание проводов силовой линии и управляющих цепей в одном жгуте или общей трубе (коробе). Не допускать петель в соединительных проводах цепей управления и питания. Соединительные провода для обеспечения помехоустойчивости следует выполнить витыми парами.

Для защиты силовых тиристоров модулей М25 от разрушающих воздействий в непосредственной близости от выводов модулей требуется установить защитные цепи. Возможные схемы цепей защиты показаны на рис. 7 и 8.

Для защиты тиристорных структур от перенапряжении необходимо применить варисто-ры типов СН2-1 и СН2-2 с коэффициентом нелинейности более 30 и энергией рассеивания 10-114 Дж, классификационным напряжением 680-750 В для сети 380 В и 390-470 В для сети 220 В. Необходимо отметить, что при прочих равных условиях напряжение на варисторе в момент перенапряжения зависит от тока. При коммутации большего тока применение тиристоров 12 класса повышает надежность изделия, но не исключает необходимости применения варисторов.

Для снижения скорости нарастания напряжения (импульсные помехи в коммутационной сети или скачки напряжения при разрыве цепи нагрузки индуктивного характера) необходимо применить демпфирующую ИС-цепь. Параметры защитной ИС-цепи для предельных коммутируемых токов отображены в таблице 5.

Таблица 5. Параметры защитной 1?С-цепи

'нагр (А) 20 63 100 200 250

С (мкФ) 0,039-0,043 0,1-0,13 0,18-0,2 0,39-0,43 0,47-0,51

к (Ом) 36-43 18-22 10-12 5,6-6,2 3,6-3,9

Р[; (Вт) 0,5 1 2 5 10

Компоненты и технологии, № 8'2004

е-

0

ф У-

т О X X

н О О н О. X

I- о.

0) с

I I

'в 1 О- Р

о ^

ф у.

ш О

X *

I- о

О Ь о. X С X

О =Г и о °| и

ф X

ь о.

Ф С

! * 0 Ф >• != ю й-ф 3 о- О •— § о

Ф СО^

ф У-ш о

X *

н О О Н О. X

ф

§ О с *

ф X

I- о. ф 1= § * 'в 1 О- °

I- 5 о

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

а) При скорости охлаждающего воздуха 0 м/с

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

б) При скорости охлаждающего воздуха 3 м/с

75 80

ф

ф У. ш о

X *

н О О н

0- х с X О =Г и а

о I

¡1 ЕЕ * ф х

1- о_ ф 1=

§ £ а> а) >• != 40 § ® п

а. °

>?

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

в) При скорости охлаждающего воздуха 6 м/с Рис. 9. Тепловое сопротивление охладителей при различной скорости охлаждающего воздуха

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

г) При скорости охлаждающего воздуха 12 м/с

75 80

Для снижения скорости нарастания тока (начальная стадия включения цепи нагрузки активного и емкостного характера) необходимо применить реактор задержки — катушку индуктивности на магнитопроводе с высокой магнитной проницаемостью и прямоугольной петлей гистерезиса. Диапазон требуемой величины индуктивности Ь = 3...30 мГн.

При подключении нагрузки индуктивного характера существует опасность перегрузки по току из-за асимметрии моментов включения в положительном и отрицательном полу-периодах, приводящей к появлению постоянной составляющей протекающего тока, а также при совпадении знака остаточной намагниченности и создаваемой током в момент включения. Вызванный этим пусковой ток может в десятки раз превышать номинальный, причем случай включения в момент перехода фазы напряжения через ноль — наихудший.

При подключении нагрузки емкостного характера существует опасность появления сверхтоков в силовой цепи и воздействия на тиристоры напряжения, достигающего удвоенной амплитуды коммутируемого, причем случай включения в момент максимума амплитуды напряжения сети — наихудший. Амплитудное значение напряжения

при включении тиристоров на полную мощность составляет 30 В. Броски тока возникают в каждом полупериоде коммутируемого напряжения. При емкости нагрузки 100 мкФ и отсутствии токоограничивающих элементов амплитуда таких бросков составляет 500-1500 А. Они порождают значительные электромагнитные помехи — мощные высокочастотные составляющие в спектре тока нагрузки. Последние могут вызвать перегрев и пробой конденсаторов.

Для управления мощностью в цепи нагрузки индуктивного характера первичное включение тиристоров следует производить в максимуме напряжения сети, то есть при величине управляющего сигнала 50%. Полное отключение регулятора должно производиться при малых углах проводимости, но не равных единицам градусов, так как существует вероятность появления асимметрии включения из-за нестабильности частоты сети. Следует избегать подачи управляющего сигнала величиной, соответствующей полному углу проводимости, так как это может привести к режиму непрерывного тока через тиристоры (из-за сдвига фазы между током нагрузки и напряжением сети момент подачи импульса управления одного тиристора произойдет

раньше момента отключения другого тиристора). Такой режим имеет место при равенстве

акрит = аупр = м^юЬ^и)

Для управления мощностью в цепи нагрузки емкостного характера первичное включение и полное выключение следует производить при минимальном значении сетевого напряжения, то есть при величине управляющего сигнала соответствующей, малым углам проводимости.

Вследствие электрических потерь в модуле выделяется тепловая энергия. Если не обеспечить интенсивное охлаждение модуля, то нагрев тиристоров может превысить допустимую величину, из-за него снизится надежность прибора и возможен даже полный выход модуля из строя.

Для отвода тепла, выделяемого модулем, предлагается использовать охладители ОХЛ 271, ОХЛ 253, ОХЛ 153.

Величина теплового сопротивления охладителей при различной скорости охлаждающего воздуха и зависимость требуемого теплового сопротивления охладителя от величины коммутируемого тока представлена на номограммах рис. 9.