Разработка системы управления преобразователем

Основой системы управления является микроконтроллер STM32F103ZF. Принципиальная схема системы управления представлена в приложении В.

Схема состоит из двух частей: схемы синхронизации с сетью и собственно схемы управления вентилями.

Схема синхронизации: для понижения сетевого напряжения используется трехфазный трансформатор TСМ-0.63УХЛ3 (U₁ = 220 B, U₂ = 12 В) и делитель напряжения (R10-R15). Для выделения точек коммутации это напряжение сравнивается на компараторе, например для определения точки коммутации вентиля VS1 напряжения фазы А должно быть больше напряжения фазы С.

Т.к. напряжение вторичной обмотки трансформатора равно 12 В, а входное напряжение на компараторе 3 В, то на вход каждого компаратора ставим делитель напряжения, который обеспечивает уменьшение диапазона входных напряжений до заданного диапазона.

Коэффициент передачи делителя напряжения определяется из следующего соотношения:

Чтобы уменьшить входной диапазон напряжения до нужного значения необходим коэффициент усиления равный 1/4.

Примем сопротивление R10 = 1 кОм, тогда

 кОм.

Импульсы с выхода компаратора подаются на выводы РA0-PA2, на котором включены внешние прерывания по фронту сигнала. В обработчике прерывания запускается таймер, отсчитывающий задержку, соответствующую углу управления. По переполнению таймера формируются управляющие импульсы длительностью 1 мс на выводах РG0-PG2, которые соответствуют вентилям 1, 2, 3, а так же для реверса на выводах РA9,PD3,PG7, которые соответствуют вентилям 4, 5, 6.

Схема управления: импульсы с РG0-PG2,PA9,PD3 и PG7  через токоограничивающие резисторы (R4-R6 и R16-R18) подаются на фототранзисторные оптроны FOD817. Импульсы проходят через светодиоды, возникают световые потоки, которые по оптическому каналу приходят на фототранзисторы. Фототранзисторы открываются, и импульсы приходит на катоды (К) тиристоров. Если фототранзисторы закрыты, то сигналы с напряжения питания «+5В» через токоограничивающие резисторы (R4-R6 и R16-R18) приходят на управляющие электроды (УЭ) тиристоров.

Рассчитаем значение резистора R1:

 Ом

       где  – напряжение на линии порта МК;  – напряжение падающее на диоде оптопары;  – ток на линии порта МК.

       Из ряда Е24 выбираем резистор R1 = 13 кОм.

       Резистор R4 берём из соображения, что ток на управляющем электроде (УЭ) не должен превышать 0,1А, а напряжение 3 В.

 Ом

Из ряда Е24 выбираем резистор R4 = 20 Ом.

По заданию в схеме необходимо реализовать режим реверса двигателя. Реверсивный преобразователь содержит два комплекта вентилей. Второй комплект предназначен для того, чтобы изменять направление тока. Мгновенно обеспечить реверс невозможно.

Рисунок 3.11.2.1 - Структурная схема двухкомплектного реверсивного преобразователя (а) и диаграммы токов, напряжения на нагрузке и углов управления при реверсе (б)

В реверсивных управляемых выпрямителях используются два основных принципа управления комплектами выпрямителей: совместное и раздельное. Суть раздельного управления состоит в том, что импульсы управления подаются только на один из комплектов выпрямителей ВК1 или ВК2, который должен в данный момент проводить ток. На второй комплект импульсы не подаются – он «закрыт». Совместное управление предусматривает подачу импульсов управления от системы фазоимпульсного управления тиристорами (СИФУ) одновременно на тиристоры выпрямителей ВК1 и ВК2. При этом один из выпрямителей работает в выпрямительном режиме и проводит ток, а другой подготовлен для работы в инверторном режиме и ток не проводит.

В нашем преобразователе применяется раздельное управление вентильными комплектами.

Реверс осуществляется при подаче сигналов с микроконтроллера. Чтобы произвести реверс, необходимо вначале произвести рекуперативное торможение (t₁–t₂): импульсы управления α₁ снимаются, скорость вращения вала замедляется по инерции, а в момент t₂ подаются управляющие импульсы α₂. В результате второй комплект преобразователей работает в инверторном режиме, что переводит двигатель в генераторный режим. На участке t₂–t₃ в результате возникновения тормозного момента скорость вращения вала резко снижается до 0. В момент t₃ угол управления α₂ достигает граничного значения, а двигатель снова потребляет энергию из сети. С последующим снижением значения угла управления через второй преобразователь до минимального значения на интервале t₃–t₄ ток через нагрузку достигает номинального значения I_н. Таким образом, с переходом второго комплекта преобразователей в выпрямительный режим скорость вращения вала в обратном направлении возрастает до номинального значения.

Вывод

В данном курсовом проекте была разработана схема управляемого трехфазного мостового выпрямителя с системой импульсно-фазового управления (СИФУ) силовыми ключами.

Были проведены расчеты, в ходе которых:

- был выбран элемент, трехфазный трансформатор типа ТС-15/0.6, удовлетворяющий всем критериям проверки, который согласует питающую сеть и силовые ключи;

- рассчитана и построена регулировочная характеристика выпрямителя, по которой найдены начальный и конечный углы регулирования, которые составили 65эл. гр. и 147 эл. гр. Соответственно; - расчитана необхадимая индуктивность цепи нагрузки(пункт 3.6.1), обеспечивающей непрерывный ток во всем диапазоне изменения нагрузки, которая показала, что индуктивность якоря не достаточна для заданных параметров схемы, поэтому потребовалось использование сглаживающего реактора;

- для четырех углов управления, включая начальный и конечный, были построены внешние характеристики УВ, представленные на рисунке 3.4.1, рассчитана и построена линия граничных токов для возможности выбора необходимой индуктивности якоря, чтобы обеспечивать непрерывный ток преобразователя; - был проведен расчет рабочих и аварийных режимов работы трансформатора. Исходя из данных, полученных из анализа рабочего режима, был выбран тиристор серии Т152-80 и диод Д132-80, совместимый с тиристором охладитель О151-80 и совместный с диодом охладитель О231-80. Проверка вентиля показала, что выбранный тиристор проходит по допустимому значению аварийного тока, поэтому нет необходимости устанавливать плавкие предохранители. Основные элементы защиты представляют собой автоматические воздушные выключатели QF1 типа А3712Б и QF2 типа А3711Б (пункт 3.9.) Для преобразователя были определены его энергетические характеристики – коэффициента полезного действия (рисунок 3.10.2.1) и коэффициента мощности (рисунок

3.10.3.1). Из рисунка 3.10.3.1 видно, что чем выше угол управления, тем меньше коэффициент мощности преобразователя, так как интервал рекуперации тока в питающую сеть становится длительнее, мощность, отдаваемая в нагрузку, уменьшается, а потребление реактивной мощности вентильной схемы увеличивается.

. Наибольший коэффициент мощности 0.625. Также по заданию была разработана СИФУ тиристорами, которая включает в себя схему синхронизации с сетью, необходимую, для определения точек коммутации и передачи этих данных на микроконтроллер STM32F103ZF. В микроконтроллере посредством внутреннего таймера отсчитывается заданный угол регулирования и отправляется импульс, который через оптрон MOC3061-M поступает на управляющий электрод тиристора, открывая его.

В схеме преобразователя с помощью ключей К1 и К2 и тормозного резистора реализовано торможение двигателя, изображенное на электрической принципиальной схеме. В приложении А представлена модель, смоделированная в ПК Mathlab, рассчитанного преобразователя и временные диаграммы для начального и конечного углов регулирования.