О некоторых вопросах конструирования преобразователей

Схемы / Прочие схемы
Alexsandrs
1 122
16-09-2017, 02:09
0

Принципиально иной будет картина, если в цепь питания коллектора УТ1 ввести дополнительный источник питания 1...2 В. Тогда оба транзистора будут находиться в режиме насыщения. Мощность потерь будет определяться в основном величиной икэ.нас транзистора УТ2.

На практике в качестве дополнительного источника может применяться отвод от силовой обмотки выходного трансформатора. Двухтактный выходной каскад с учетом вышеприведенных соображений показан на рис.7. Выходной каскад обеспечивает ток 10...15 А в зависимости от максимального тока коллектора выходных транзисторов. Напряжение насыщения икэ.нас при этом может быть от 0,3 до 0,6 В, что соответствует мощности потерь от 1,5 до 5 Вт при скважности 2. Это позволит использовать радиатор небольших размеров. Входной ток при этом равен 5.10 мА, а при использовании составного транзистора - 0,5.1 мА и позволяет подключать его непосредственно к схеме управления на КМОП-логике. Для дальнейшего увеличения выходного тока транзисторы необходимо включить параллельно. При таком соединении возникают вопросы, связанные с распределением токов между элементами, однозначного ответа на которые нет. К ним относятся: необходимо ли устанавливать резисторы в цепь базы, эмиттера; следует ли подбирать транзисторы; какой выбрать коэффициент усиления?

Для практических расчетов с точки зрения потерь и получения необходимой надежности нужно знать следующее. Элемент не следует загружать по току более чем на 70% (лучше 55.60%). Резистор в цепи эмиттера уменьшает разброс токов эмиттера каждого из элементов, что исключает их выход из строя. Из-за различий ибэ.нас каждого элемента резисторы, задающие ток базы, лучше ставить на каждый элемент или осуществлять индивидуальный подбор транзисторов, что трудоемко и дорого. Как правило, установка резисторов в цепь базы и эмиттера снижают общий КПД ключа. Особенно большие потери будут на эмиттерном резисторе, так как через него протекает основной ток. На практике резисторы в эмиттерной цепи устанавливают от 0,01 до 0,5 Ом. Эмиттерный резистор должен учитывать возможный разброс напряжений насыщения транзисторов выбранного типа. При конкретном токе через транзистор эмиттерный резистор уменьшает его до допустимой величины тока через транзистор.

Проблема параллельного соединения силовых транзисторов заключается в обеспечении равномерного токораспределения между параллельно соединенными транзисторами. Это приведет к равномерному распределению мощности и одинаковой температуре нагрева. В связи с этим транзисторы желательно располагать на общем теплоотводе. Стремление избавиться от дополнительных потерь мощно-

сти на эмиттерном резисторе стимулировало дальнейший поиск решений, позволяющих осуществить равномерное токораспределение.

Наиболее экономичным с точки зрения равномерного токораспределения является подбор транзисторов по икэ.нас (с точностью <0,1 В) при номинальном токе коллектора и базы [2]. Для того чтобы перевести элементы, разбитые на группы по икэ.нас, из одной группы в другую, необходимо увеличить ток базы.

При этом икэ.нас уменьшается, что и будет означать переход группы с большим икэ.нас в группу с меньшим. Отметим, что изменение икэ.нас нелинейно зависит от тока базы.

Из этого можно сделать вывод, что для параллельного включения транзисторов базовый ток нужно выбирать большей величины, чем оптимальный для единичного включения с точки зрения потерь на нем. Но максимально допустимый ток коллектора через транзистор не должен превышать 60...70% от предельно допустимого, так как это грозит переходом каких-либо транзисторов в режим с большим насыщением и выгоранием с меньшим.

Можно сделать вывод: чтобы исключить подбор группы по икэ.нас, транзистор должен быть низковольтным и с возможно большим Ку.нас и максимально допустимым током коллектора, индивидуальным резистором в цепи базы, при этом ток базы выбирают большим, чем оптимальный для единичного включения.

Исходя из этих требований, был проведен поиск подходящих вариантов транзистора для изготовления мощного ключа. Выбор пал на транзистор КТ863А с 1к.макс=10 А, икэ.макс=30 В. Для него оптимальный Ку.нас для единичного включения при токе коллектора 7 А составил 2025, а для параллельного включения - 1012, т.е. в 2 раза меньше. Схема ключа на ток 30 А показана на рис.8. Напряжение вольтодобавки для питания УТ1 около 2 В при базовых резисторах В5-1?8 по 0,25 Ом. УТ1 установлен на небольшой радиатор площадью 10.20 см². икэ.нас для транзисторов силового ключа равно 0,2.0,3 В, что при токе ключа 30 А соответствует мощности потерь 9 Вт, а при скважности 2 - 4,5 Вт, т.е. менее 1,5 Вт на элемент.

Конструктивно транзисторы одного плеча ключа желательно установить на общий радиатор, а выводы транзисторов для удобства монтажа и возможного демонтажа лучше паять не в плату, а на две шины, проходящие одна под другой, к которым подпаиваются выводы коллекторов и эмиттеров. Каждая шина запаивается двумя выводами в виде буквы "П" в плату. Выводы питания и трансформатора подпаиваются непосредственно к соответствующим шинам. Такая конструкция позволит исключить отслоения печати при нагреве мощным паяльником. Выводы базы запаяны в плату с помощью дополнительного проводника.

О неполнофазном режиме

В 11/2002 были опубликованы две статьи на тему защиты асинхронных двигателей от неполнофазных режимов. Оба решения, безусловно, частично решают проблему защиты асинхронных двигателей при обрыве фазы в непосредственной близости от АД.

К сожалению, авторы не учли часто встречающихся реальных условий, возникающих в трехфазной сети, когда между контролируемым двигателем и питающей подстанцией (рис.1) есть потребители трехфазной (ПТН) и однофазной (ПОН) нагрузок, а обрыв фазы произошел на питающей подстанции или вблизи ее. Кроме того, при обрыве фазы двигатель частично переходит в режим генератора или трансформатора, что приводит к появлению ЭДС на обмотке АД, подключенной к оборванной фазе.

Наличие ЭДС на обмотке АД и потребителей на линии создадут условия, при которых ни одна из предложенных схем не сработает: в схеме К.В. Коломойцева и др. по обмотке токового датчика будет протекать ток внешних нагрузок, а в схеме НА. Короткова датчик наличия фазы не увидит ее исчезновения по причине наличия ЭДС.

Другими словами, просто контроль тока или напряжения в фазных проводах АД не решает проблему его защиты от неполнофазного режима. Другое дело, если этот контроль совмещен во времени. Если внимательно рассмотреть временные диаграммы напряжений трехфазной сети в режиме пофазного однополупериодно- го выпрямления (рис.2-5), то можно заметить, что в симметричной трехфазной сети не бывает на всех трех фазах одновременно "плюс" или "минус" (1 или 0). При повреждениях же любого характера в сети, например обрыв фазы с изоляцией или с замыканием на другую фазу, обрыв фазы с замыканием на "землю", на всех трех фазах одновременно на время равное одной трети полупериода в первом случае будет появляться "плюс" (1) и "минус" (0), во втором случае - "минус" (0).

Форма кривых на диаграммах (см. рис.2-5) обусловлена наличием защитных стабилитронов на входах микросхемы.

Из анализа диаграмм следует, что задача защиты АД от неполнофазного режима сводится к обнаружению этих кратковременно появляющихся "единиц" или "нулей", а решить эту задачу можно довольно простой схемой с использованием логической схемы К561ЛП2. Принципиальная схема такого реле показана на рис.6, а его печатная плата - на рис.7.

Как видно из диаграмм, при отсутствии неисправностей в цепи питания АД в точке К1 схемы будет высокий уровень, конденсатор С3 заряжен через резистор R7, на выходе триггера Шмитта (кл. 10 DD1.3) - высокий уровень, тиристор оптопары открыт, исполнительное реле притянуто, его контакты в цепи магнитного пускателя замкнуты, а в цепи сигнализации разомкнуты (автором в качестве исполнительного реле использовано РП-21 на 220 В, 50 Гц!).

При возникновении неисправности в питающей сети или пробое изоляции обмотки АД, в точке К1 на время равное 1/3 полупериода поврежденной фазы будет сниматься высокий уровень, что позволит конденсатору С3 разрядиться благодаря значительной разности времени его заряда через R7 и разряда через D13, R8. Разряд С3 приведет к срабатыванию триггера Шмитта и отключению исполнительного реле с разрывом контактов в цепи магнитного пускателя АД и замыканием сигнальных контактов.

Блок питания реле - с ограничивающим конденсатором, что следует учитывать при эксплуатации реле. Реле не требует настройки (кроме выбора выдержки времени на срабатывание, которая выполняется подбором номиналов R8 и С3) и сохраняет работоспособность без изменения элементов схемы в трехфазных сетях с линейным напряжением от 400 до 100 В.

Обсудить на форуме