Трехфазный тиристорный управляемый выпрямитель

Представляю Вашему вниманию трехфазный управляемый выпрямитель на тиристорах, под управлением  микроконтроллера ATmega8.

После публикации трехфазного регулятора мощности переменного тока оказалось, что для пользователей востребован трехфазный выпрямитель. Мне было несколько обращений на почту по этому поводу. По большей части нужен был выпрямитель для питания электролизеров, без особых требований к функциональности и стабильности, и один человек просил сделать ему источник для питания двигателя постоянного тока на 440В. Исходя из этого, и было собрано такое вот устройство.

Функциональные возможности минимальны – регулировка выходного напряжения потенциометром, кнопка Пуск/Стоп, светодиодный индикатор состояния устройства , вольтметр(больше как индикатор) выходного напряжения на семисегментном индикаторе. При включении проходит тест правильности чередования фаз, в работе контролируется наличие  всех трех фаз. Обратной связи выпрямитель не имеет. Каких либо настроек не требует, при правильной сборке начинает работать сразу.

Внимание! В схеме присутствуют опасное для жизни напряжение! Для опытных пользователей!

Схема устройства для удобства разделена на функциональные блоки. Это дает возможность вносить дальнейшие изменения и улучшения в конструкцию. В дальнейшем планирую добавить обратную связь и изменить схему измерения выпрямленного напряжения.

Устройство по сути любительская разработка и не претендует на звание серьезного промышленного образца. Поэтому если вы будете повторять эту конструкцию , то вся ответственность по возникшим сбоям лежит только на вас.

Теперь к описанию.

Силовая схема.

Вариант 1- авторский, был собран и проверен. Плата и описание работы ссылаются на этот вариант схемы.

Вариант 2. не собирался не проверялся, привожу просто для ознакомления, собрать его сложнее , но работать он будет.

Авторский вариант построен на мощных оптотиристорных модулях МТОТО  80 - 12. Каждый модуль содержит два встречно-параллельных  восьмидесятиамперных оптотиристора. Используется три модуля, включенных по схеме моста Ларионова. Выбор именно такой силовой схемы сделан по трем причинам .

Первое - пульсации выпрямленного напряжения  меньше чем в схеме с тремя вентилями, соответственно уменьшаются масса и габариты выходных фильтров.

Второе – не нагружается нулевой провод, вся нагрузка равномерно распределится по фазам, в условиях плохой сети это особенно важно, так как чаще всего перегружен именно нулевой проводник.    

И третье, в такой схеме, теоретически, возможно получать выпрямленное напряжение в диапазоне 0 - 540 вольт. На практике границы будут меньше, так как при вертикальном принципе управления тиристорами возможно перерегулирование на углах управления близких к предельным. Чтобы  избежать этого эффекта, нижняя граница ограничена  10-15 вольтами. Верхняя ограничена только самой сетью. При необходимости можно скорректировать  диапазон установкой сопротивлений на задающий потенциометр.

Максимальная мощность в таких схемах ограничена только максимально допустимым током силовых ключей. Использование мной восьмидесятиамперных  ключей обусловлено большим их количеством в запасах.Так же не рекомендуется использовать ключи классом по напряжению ниже 9 (900 вольт). Оптимально использование классов 10-12 (1000-1200 вольт), особенно при питании двигателя постоянного тока. Тиристоры хоть и устойчивы к перегрузкам и перенапряжениям , но в наших сетях иногда выходят из строя. Поэтому лучше выбирать их с запасом, неплохо еще поставить по входу токоограничивающие  трехфазные дросселя или реакторы, а по выходу дроссель на постоянный ток. При подключении двигателя постоянного тока, который сам обладает индуктивностью , подключать на выход дросселя не нужно, но рекомендую подключить параллельно двигателю мощный резистор , для лучшего затормаживания. Подробнее о всех нюансах можно почитать например в [1], или найти в сети , информации по этому вопросу много.

Обязательны к установке RC цепи параллельно тиристорам. В моем варианте это резисторы    ПЭВ-10 39 Ом и конденсаторы МБМ  0,1мкф 500в. Экономить на RC цепях не рекомендую, без них срок жизни тиристоров сильно укоротится. Устанавливать их желательно как можно ближе к силовым выводам. На моей практике часто случались выходы из строя RC цепей в различных устройствах с тиристорами. Замечено что наиболее надежно использование мощных проволочных резисторов ПЭВ, и т.п. и конденсаторов на бумажной основе МБГО, МБГЧ и т.п. И наоборот резисторы типа МЛТ и конденсаторы К73-хх живут в этих схемах очень недолго. При работе , резисторы и конденсаторы могут сильно нагреваться , учитывайте это при монтаже .

Тиристорные модули установлены на радиатор, при работе греются, чем мощнее нагрузка, тем больший потребуется теплоотвод.

Управляющие импульсы, от микроконтроллера усиливаются составными транзисторами Т7-Т12.   Питание оптронов либо трансформаторов импульсов осуществляется нестабилизированным напряжением 15в.

 На схеме не показан, но должен быть установлен, на стороне сети ,автоматический выключатель под рассчитанную нагрузку, так же желательно установить отдельный автоматический выключатель , с малым током срабатывания, на фазы блока синхронизации и блок питания.

Устройство подключается к сети 3х380 вольт с соблюдением чередования фаз   А-В-С, при неправильном чередовании будет выдаваться ошибка. Обращайте внимание на правильность фазировки силовой схемы и схемы синхронизации , фазы должны быть подключены именно так как на схеме.

Нулевой провод нужен только для подключения трансформатора блока питания, если его первичная обмотка выполнена на 220в.

Если корпус изготовлен из металла ,то защитное заземление корпуса устройства выполнять обязательно!

Схема источника питания

 В пояснении, думаю, не нуждается, используется два напряжения – нестабилизированное 15вольт и стабилизированное 5вольт, потребление в авторском варианте составляло до 350мА, в большей степени зависит от светодиодного индикатора и используемых силовых элементов. Можно использовать любые доступные детали, особых требований нет. Так же можно использовать любой подходящий трансформатор на 220-380 вольт первичного напряжения и на 12-24 вторичного. Максимальное вторичное напряжение ограничено входным напряжением  пятивольтового стабилизатора, нестабилизированное напряжение используется для усилителей управляющих импульсов. Стабилизатор типа 7805, установлен на плате блока управления, с радиатором в виде медного профиля .

Схема блока синхронизации

Схема содержит три одинаковых канала. Каждый канал подключен между двумя фазами, то есть . включены треугольником. В момент перехода межфазного напряжения через нуль, формируется импульс, используемый для синхронизации в МК. Детали не критичны, но нужно придерживаться номиналов, для более точной синхронизации. Если есть двухканальный осциллограф, и делитель 1:100, можно подбором резисторов R33 R40 R47,выставить более точно попадание импульса синхронизации в момент пересечения нуля. Для этого нужно временно переключить каналы звездой , и встав одним щупом между фазой и землей, другим встать на выходе между общим схемы и выходом оптрона. Делать это необходимо с особой осторожностью, так как схема гальванически связана с сетью, есть риск спалить плату и осциллограф. Необходимости в этом нет, при соблюдении всех номиналов , точность попадания вполне достаточна, собранные мной четыре платы нормально работали и без подстройки.

Используемые оптроны АОТ101 можно заменить любыми аналогичными, лишь бы были рассчитаны на напряжение не менее 1000в. Можно найти в сети более простую схему детектора нуля, и собирать ее. Есть более простые схемы , разницы нет , лишь бы выдавала синхроимпульс в момент перехода через нуль .Очень желательно использовать предохранители, как показано в схеме, и использовать отдельный автоматический выключатель на этот блок.  

Блок управления и индикации

Микроконтроллер ATmega8 выдает импульсы управления на тиристоры, и обеспечивает индикацию режимов работы. Импульсы,  усиливаются составными транзисторами Т7-Т12.

О принципах  управления трехфазным выпрямителем можно прочитать в [1], здесь расписывать не буду. Микроконтроллер работает от внутреннего генератора, тактовая 8мгц. Фьюзы приведены ниже на картинке. Семисегментный светодиодный индикатор с общим анодом, на четыре знака. Управляется через четыре анодных ключа Т1-Т4 , сегменты переключаются сдвиговым регистром. Можно не устанавливать индикатор, регистр и связанные с ними элементы, если не требуется вольтметр. Можно установить любой доступный тип индикаторов, но потребуется подбор токоограничивающих резисторов в цепи сегментов.  Светодиод HL1 показывает основные состояния устройства.

Пуск и остановка осуществляется переключателем SB1. Замкнутое состояние – Пуск, разомкнутое - Стоп. Регулировка выходного напряжения от потенциометра R30.  Ручку резистора необходимо изолировать ! Гасящие резисторы делителя выходного напряжения R7, R9 -использовать мощностью не менее 1Вт, для исключения пробоя по поверхности. Выходное напряжение измеряется на резисторе R8, без развязки, поэтому вся схема гальванически связана с сетью ! И хотя ток ограничен на безопасном уровне резисторами R7, R9, необходимо соблюдать осторожность. Выпрямленное тиристорами напряжение имеет сложную форму , для его измерения правильным было бы использовать  внешний среднеквадратичный преобразователь на ОУ , но не хотелось усложнять схему. В итоге применено несколько нестандартное подключение АЦП МК, и программная фильтрация показаний, с усреднением. Из минусов такого решения – требуется подбор R8 , в моем варианте он состоял из двух резисторов – постоянного на 3.5К и подстроечного на 1К.  Можно программными фильтрами добиться и более высокой точности , но быстродействия данного МК и так еле хватает на все задачи. Точность получается в пределах 1-3 вольта , в зависимости от того на какой точке диапазона (10-540В) происходит измерение.На видео видно на сколько расхождение с показаниями мультиметра ,но на практике этого оказалось вполне достаточно. На таких напряжениях большая точность и не требуется, тем более из за отсутствия обратной связи выходное напряжение будет зависеть от нагрузки и от максимального напряжения сети.

Дроссель  L1 любой малогабаритный, нужен для лучшей фильтрации опорного напряжения АЦП микроконтроллера. Емкости  С5 , С6 нужно установить, как можно ближе к выводам питания МК и регистра. В условиях больших токов и сильных помех они необходимы для надежной работы устройства. В моем варианте они напаяны на ножки микросхем.

Описание работы

При включении МК проверяет наличие импульсов синхронизации и состояние переключателя SB1.

Светодиод моргает с низкой частотой , на индикаторе Е380. При появлении импульсов синхронизации происходит проверка чередования фаз, А-В-С, если чередование верное устройство готово к работе. При обратном чередовании на индикаторе высвечивается АСВ, светодиод моргает с высокой частотой. Необходимо поменять местами любые две фазы.

Если SB1 в разомкнутом состоянии импульсы управления не выдаются, на индикатор выводится сообщение OFF  , светодиод HL1 мигает с низкой частотой. Если замкнуть SB1  начнут поступать  импульсы управления , светодиод HL1 светится постоянно. Если при пуске либо во время работы пропадут синхронизирующие импульсы более чем на 7 секунд, индикатор отобразит цифры 380 , светодиод будет моргать с низкой частотой, импульсы управления тиристорами снимутся. При появлении импульсов синхронизации , устройство вернется к работе. Тем самым осуществляется контроль за пропаданием фаз сети.

Печатные платы в формате Sprint Layout, для блока синхронизации и блока управления , обе в архиве, остальной монтаж выполнен навесным. Платы односторонние , плата блока управления содержит три перемычки,одна из которых под микросхемой , ее нужно запаивать до установки микросхемы. Каких либо уникальных деталей нет, все было собрано практически из распая. Разводка выполнена под семисегментный светодиодный индикатор e40561-l-0-0-w ,они доступны в интернет магазинах. Микроконтроллер ATMEGA8L-8PU , сдвиговый регистр 74LS595.

Транзисторы используются  составные КТ973 и КТ972 , заменить их можно на аналогичные импортные. В блоке синхронизации стоят КТ3102, но будут работать и КТ315  , проверено. Высоковольтные диоды  1n4007 либо КД209в , можно и другие , требование одно - напряжение не менее 800В. Слаботочные диоды кд521 , либо любые аналогичные. Остальные детали совсем не критичны. Платы я сверлил на миниатюрном сверлильном станочке, поэтому контактные площадки сделаны небольшими , под ручную сверлилку, возможно, придется их увеличить . Плату синхронизации желательно покрыть защитным лаком, для исключения пробоя . Микроконтроллер установлен в панель, программируется отдельно до установки в плату.  Все резисторы – выводные МЛТ-0,125 , либо им подобные. Резисторы находящиеся под высоким напряжением желательно использовать типов МЛТ -0,5 либо подобных, или набирать из нескольких включенных последовательно. Это нужно потому, что в сети могут возникать кратковременные перенапряжения большой амплитуды,  и может произойти пробой резисторов по поверхности.

Токоограничивающие резисторы R10-R15 типа МЛТ-1 , они установлены непосредственно на выводах оптронных модулей. Резисторы делителя выходного напряжения R7, R8, R9 (см силовую схему вар 1.) для АЦП МК, изначально установлены на плате блока управления , решение это не совсем удачное, так как на плате будет напряжение в 540В, но сокращается длина проводника от ножки входа АЦП МК к делителю, и меньше ловится помех. Если нежелательно иметь на плате высокое напряжение, можно вынести и смонтировать отдельно.

Микроконтроллер прошивался программатором "пять проводков" под управлением широко известной бесплатной программой Uniprof

Прошивка в приложенном архиве, там же и файлы печатных плат.

Фьюзы даны для установки в этой программе, при использовании другой - Помните, что включенный FUSE - это FUSE без галочки!

Устройство было собрано для проверки работоспособности, прикладываю осциллограммы  выходного напряжения  на различных углах регулирования, нагрузка чисто активная 4Квт.

Осциллограмма  синхроимпульсов  с одной из фаз относительно общего.

Сдвоенные управляющие импульсы на коллекторе Т7, относительно общего.

Литература

• 1. Чернов Е.А., Кузьмин В.П., Синичкин С.Г. "Электроприводы подач станков с ЧПУ" справочное пособие 1986г.
• 2. В.М. Яров  "Источники питания электрических печей сопротивления" учебное пособие 1982г.
• 3. А.В.Евстифеев "Микроконтроллеры AVR семейства Mega, руководство пользователя " 2007г.

Теги:

• Sprint-Layout
• Микроконтроллер
• AVR