Расчет усилителей мощности

 

Сопряжение цепей управления ключами инвертора с низковольтным логическим выходом схемы управления требует обеспечения гальванической развязки и согласования управляющих сигналов по мощности. Гальваническая развязка может быть обеспечена как оптоэлектронными приборами, так трансформаторами. Одно из достоинств оптоэлектронной развязки — технологичность, но при этом имеется ряд недостатков:

– низкий КПД передачи сигнала;

– необходимость в дополнительных, гальванически развязанных источниках питания.

Проще эта задача решается при использовании трансформаторов. Основным недостатком этого решения является наличие моточных изделий. Кроме того, для формирования низкочастотной огибающей выходного напряжения трансформатор усилителя мощности должен быть спроектирован на низкую частоту, а работать должен на частоте преобразования, т.е. повышенной частоте, что приводит к затруднениям в формировании фронтов управляющих импульсов.

Для управления биполярными транзисторами ключей инвертора воспользуемся схемой, приведенной на рис. 2.24.

Рисунок 2.24 — Усилитель мощности с оптоэлектронной развязкой

Такой усилитель обеспечивает активное выключение транзистора по управляющему входу, а также позволяет задавать необходимую степень насыщения транзистора, обеспечивая при этом хорошие динамические характеристики ключа. Работа силового транзистора в ключевом режиме предполагает два состояния.

Первое — транзистор выключен, при этом к его базо-эмит-терному переходу приложено запирающее напряжение отрицательного источника (–U_П) за вычетом прямого падения напряжения ∆U_ЭК открытого транзистора VT3, и это напряжение не должно превышать уровень, предельно допустимый для базо-эмиттерного перехода силового транзистора, т.е. должно соблюдаться условие:

U_П2 – ∆U _VT3 ≤ U_ЭБдоп = 5 В.

Выбираем напряжение источников питания U_П1 = U_П2 = 5 В.

Импульсный ток, протекающий по коллекторной цепи транзистора VT3, определяется максимально необходимым базовым током силового транзистора инвертора:

где Кнас = 1,1 — степень насыщения транзистора инвертора, работающего в ключевом режиме (задаемся сами).

В качестве VT3 выбираем транзистор 2Т830А с параметрами [Приложение П]: U_КЭ = 30 В; U_БЭ = 5 В; I_К = 2А; β_min = 25; ∆U_{КЭ нас} ≤ 0,6 В; ∆U_{БЭ нас} ≤ 1,3 В.

Сопротивление резистора R6:

Выбираем резистор МЛТ-1 — 5,1Ом ±10 %.

При выключенном транзисторе, напряжение на его коллекторе велико, следовательно, заперт диод VD3 и к нему приложено напряжение, определяемое максимальным входным напряжением инвертора 341В. Выбираем диод 2Д204А с параметрами [Приложение С]:

I_VDmax = 0,4 А; U _{VD обр max} = 400 В; U _{VD пр} = 1,4 В; f = 50 кГц.

Второе состояние — силовой транзистор открыт. Базовый ток протекает по цепи: плюс источника U_П1, R5, коллектор-эмиттер VT2, база-эмиттер силового транзистора, общая точка (земля) источников питания данного усилителя мощности. Допустимый коллекторный ток транзистора VT2 должен быть больше 0,6А. Максимальное допустимое напряжение U_VT2 должно быть не меньше напряжения U_П1 = 5 В. Выбираем транзистор 2Т630А с параметрами [Приложение П]:

U_КЭ = 120 В; U_БЭ = 7 В; I_К = 1А; β_min = 40; ∆U_{КЭ нас} = 0,3 В;

∆U_{БЭ нас} = 1,1 В.

Сопротивление резистора R 5:

где ∆U_{БЭ тр.и} = 1,5 В — падение напряжения на базо-эмиттерном переходе транзистора инвертора;

I_Бтр.и = 0,6А — базовый ток транзистора инвертора.

Мощность, рассеиваемая резистором R5:

P_R5 = I ² _{Б тр . и} γ R₅ = 0,6 ²  0,5  6,2 ≈ 1,1 Вт,

где γ = 0,5 — относительная длительность управляющего импульса по низкой частоте.

Выбираем резистор [Приложение Г] МЛТ-2 — 6,2 Ом±10 %.

Сопротивление резистора R7 рекомендуется выбирать для мощных биполярных транзисторов 10 Ом.

Выбираем резистoр С2-13-0,5 — 10 Ом±10 % [Приложение Г].

Коллекторный ток транзистора VT1 равен базовому току транзистора VT2:

Сопротивление резистора R4:

Выбираем резистор [Приложение Г] С2-13-0,5 — 220 Ом±10 %.

Для обеспечения гальванической развязки цепи управления с силовой цепью инвертора используем оптопару диод-диод 3ОД-121 с параметрами [32]:

U_вх = 1,7 В; К _пер = 1,0 %; U_{вх обр} = 5 В; U_{вых обр} = 20 В;

 I _вх = 10 мА; U_изол = 500 В.

 

Для согласования выходного тока оптопары с базовым током транзистора VT2 необходим усилительный каскад с коэффициентом усиления:

для этого выбираем транзистор КТ973Б с параметрами [32]:

U_КЭ = 45 В; U_БЭ = 5 В; I_К = 4А; β_min = 750; ∆U_{КЭ нас} = 1,5 В;

∆U_{БЭ нас} = 2,5 В.

Сопротивление резистора R3:

Выбираем резистор С2-13-05 — 43Ом±10 % [Приложение Г].

Резистор R2, шунтирующий базо-эмиттерный переход транзистора КТ973Б выбирается равным 1 кОм. Для ускорения переходных процессов, возникающих при переключении силового транзистора, используют форсирующую емкость, шунтирующую резистор R3. Емкость обычно составляет примерно сотни или тысячи пикофарад.

Выбираем в качестве С1 конденсатор КМ-5-Н30 — 1500 пФ [Приложение Е].

Для усилителей мощности четырех силовых ключей необходимо иметь четыре источника +5 В по 0,5 А каждый и четыре источника –5 В по 0,25 А каждый.

Такой усилитель мощности обеспечивает гальваническую развязку цепи управления и силовой цепи, хорошую динамику, но при этом требуется многоканальный источник питания, что является большим недостатком. Целесообразнее для этих целей использовать интегральные драйверы, которые подключаются к низковольтному источнику питания и обеспечивают управление затвором IGBT и МОП-транзисторов стоек инвертора с одновременной защитой от высокого напряжения. Для управления (IGBT) ключами стойки силового инвертора с напряжением питания U_dmax = 341 В выбираем драйвер IR 2112 (рис. 2.25) с характеристиками [32]:

U_out = (10 ¸ 20) В ; U_offset = 600 B, I₀₊ = 0,2A, I_0– = 0,42 A,

t_{on / off} = 125/105 нс.

 

Рисунок 2.25 — Схема подключения драйвера IR2112

 

Недостаток такого усилителя — отсутствие гальванической развязки цепи управления с силовой частью.

Для управления ключами, выполненными на основе полевых (MOSFET ) транзисторов типа IRFB 17 N 50 L требуется драйвер с большими выходными импульсными токами (до 0,9А). Можно воспользоваться, например, высоковольтным драйвером IRS 21844 c токами I ₀₊ = 1,9 A , I _0– = 2,3 A .

 

Схема управления СГЭП

 

Функциональная схема управления силовым инвертором представлена на рис. 2.26, где:

ВЧГ — высокочастотный генератор, определяющий частоту преобразования f _пр = 10кГц;

ГПН — генератор пилообразного напряжения частоты преобразования;

ШИМ — широтно-импульсный модулятор;

ФКП — формирователь коммутационных пауз в сигналах управления ключами силового инвертора;

РИ — распределитель импульсов управления ключами высокочастотной и низкочастотной стоек силового инвертора;

ГСН — генератор синусоидального напряжения выходной частоты инвертора;

УР — усилитель рассогласования сигнала ошибки, обеспечивающий заданную статическую точность поддержания выходного напряжения;

КЗ — корректирующее звено, обеспечивающее устойчивость замкнутой САР.

 

 

Рисунок 2.26 — Функциональная схема управления инвертором

 

а) Работа схемы управления инвертором по функциональной схеме

 

Последовательность прямоугольных импульсов частоты 10кГц с выхода задающего генератора поступает на вход генератора пилообразного напряжения, на выходе которого формируется линейно-нарастающее напряжение, поступающее на один из входов широтно-импульсного модулятора, на второй вход которого приходит напряжение сигнала ошибки, согласованное с уровнем пилообразного напряжения. Сигнал ошибки формируется на выходе сумматора, на прямой вход которого подается опорное синусоидальное напряжение частоты 50 Гц, а на инвертирующий вход поступает согласованное по уровню напряжение обратной связи с выхода инвертора. На выходе широтно-импульсного модулятора формируется импульсная последовательность с изменяемой по синусоидальному закону длительностью импульсов, поступающих на вход формирователя коммутационных пауз и один из входов распределителя импульсов. С выхода формирователя коммутационных пауз импульсы, обеспечивающие задержку включения очередных (открывающихся) ключей инвертора на время, пока полностью не закроются выключающиеся ключи, поступают на второй вход распределителя импульсов. На третий вход распределителя импульсов поступает низкочастотный сигнал с выхода генератора синусоидального напряжения для формирования сигналов управления ключами низкочастотной стойки инвертора. На четвертый вход распределителя импульсов подается сигнал с выхода блока защиты, снимающий управление со всех ключей инвертора в случае нештатной (аварийной) ситуации.

Схема управления силового инвертора может быть реализована:

– в аналоговом виде с использованием дискретных полупроводникoвых элементов;

– в цифровом виде;

– комбинированной — с использованием аналоговых и цифровых микросхем;

– на базе микропроцессоров.

Схема управления электрическая принципиальная в цифровом виде приведена на рис. 2.27. С выхода генератора, реализованного на микросхеме DD1, высокочастотный сигнал поступает на вход 1 счетчика DD2, формирующего нарастающий код (цифровой аналог пилообразного напряжения), синхронный аналоговый сигнал которого снимается с выхода цифро-аналогового преобразователя DA1 и подается на зарядное и разрядное устройства.

 

Рисунок 2.27 — Цифровая схема управления

Счетчик DD7 формирует код, пропорциональный фазе требуемого синусоидального напряжения. В ПЗУ на микросхеме DD8 зашита программа, реализующая функцию умножения синусоидального напряжения на коэффициент К, пропорциональный среднему значению выходного напряжения силового инвертора, поступающий с выхода аналого-цифрового преобразователя DA2 через регистр DD10. В ПЗУ (микросхема DD3) зашита программа, реализующая функцию цифрового компаратора, формирующая на выходе широтно-импульсную последовательность в соответствии с кодом выхода регистра DD9, пропорциональным синуидальному напряжению. На выходах регистра DD4 сформированы поступающие на первые входы микросхем DD5 противотактные импульсные последовательности «ШИМ» и «НЕ-ШИМ» с учетом коммутационных пауз, необходимых для формирования траектории переключения ключей с малыми динамическими потерями. Импульсные последовательности с выходов логических элементов «И-НЕ» микросхем DD5, на вторые входы которых поступает сигнал разрешения от схемы защиты, передаются через микросхему DD6 на блок усилителей мощности. Аналогично организовано и управление ключами низкочастотной стойки силового инвертора импульсными последовательностями «U_НЧ» и «НЕ-U_НЧ» частоты выходного напряжения, формируемыми на выходах микросхемы DD6.

Схема управления силовым инвертором может быть реализована в аналоговом виде, при этом могут быть использованы различные варианты реализации узлов (высокочастотный генератор, ГПН, ШИМ и т.д.), входящих в управление, подробно рассмотренные в ранее изучаемых дисциплинах.

Ток, потребляемый схемой управления от источника питания собственных нужд, по цепи +5 В не превышает 2 А, по цепи +15 В не более 500 мА, по цепи –15 В не более 200 мА.

Вопрос формирования опорных напряжений для цифро-аналогового и аналогово-цифрового преобразователей в данной работе не рассматривается.

 

 

Блок обратной связи

 

Задача блока обратной связи при выбранной схеме управления заключается в преобразовании выходного переменного напряжения частоты 50 Гц в постоянное согласованное со схемой управления по уровню напряжение. Для этого необходимо выходное напряжение инвертора понизить до приемлемого уровня (с помощью дополнительной обмотки на силовом трансформаторе), выпрямить это напряжение и выделить его среднее значение. Принципиальная электрическая схема блока обратной связи приведена на рис. 2.28.

Выходное напряжение СГЭП, пониженное до уровня (2÷3) В, поступает на вход прецизионного выпрямителя, выполненного на операционных усилителях DA1, DA2 и диодах VD1, VD2, включенных в цепь обратной связи усилителя DA1. С помощью интегратора DA3 выделяется среднее значение выпрямленного напряжения за полупериод напряжения питающей сети и через ключ VT2 в конце каждого полупериода частоты измеряемого переменного напряжения передается в ячейку памяти С6, и далее через неинвертирующий усилитель DA4 c необходимым коэффициентом усиления передается на схему управления. После передачи информации в ячейку памяти интегратор обнуляется с помощью включения на короткое время транзистора VT1. При изменении выходного напряжения силового инвертора под воздействием дестабилизирующих факторов на выходе микросхемы DA4 формируется ступенчато-постоянное напряжение. На рис. 2.29 приведены диаграммы напряжений, поясняющие работу блока обратной связи.

Ток, потребляемый схемой обратной связи от источника питания собственных нужд по цепям 15 В, не превышает 100 мА.

 

 

Рисунок 2.28 — Схема обратной связи

 

 

Рисунок 2.29 — Временные диаграммы схемы ОС

 

 

Блок защиты

Защиту основных узлов СГЭП от перегрузки по току нагрузки на уровне 1,2I_ном выполняет схема защиты снятием управления с ключей инвертора. Для этого в выходную цепь силового канала установлен датчик тока нагрузки, который может быть выполнен на основе токовых шунтов, трансформаторов тока или других элементов. В данном случае используем трансформатор тока, так как он обеспечивает гальваническую развязку силовой цепи переменного тока высокого напряжения с низковольтной цепью схемы управления. Схема блока защиты приведена на рис. 2.30.

 

 

Рисунок 2.30 — Блок защиты

 

Схема работает следующим образом. При нажатии кнопки S1 на вход 5 микросхемы DD1 поступает сигнал логического нуля и на его выходе 6 формируется сигнал логической единицы, разрешающий подачу сигналов управления на управляющие входы силового инвертора. Если ток нагрузки не превышает допустимых пределов 1,2I_НОМ, то напряжение на входе 3 компаратора DA1 меньше, чем на неинвертирующем входе 2, а на выходе 7 компаратора DA1 поддерживается сигнал логической единицы. При увеличении тока нагрузки выше 1,2I_НОМ на выходе 6 компаратора появляется логический нуль и RS-триггер, реализованный на элементах 2И-НЕ микросхемы DD1, формирует на выходе сигнал логического нуля, прекращающего подачу импульсов управления на управляющие входы силового инвертора. Повторный запуск осуществляется путем нажатия кнопки S1 после устранения причины, вызвавшей увеличение тока нагрузки. Расчет трансформатора, выполняющего роль датчика тока, производится по известным методикам.

Ток, потребляемый схемой защиты от источника питания собственных нужд по цепям + 5 В и + 15 В, не превышает 10 мА.

 

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: