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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Block zur Regelung großer gleichgerichteter Ströme. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Regler für Strom, Spannung, Leistung Die bewährte Schaltung zur Stromregelung leistungsstarker Verbraucher ist einfach aufzubauen, zuverlässig im Betrieb und verfügt über breite Verbrauchermöglichkeiten. Es eignet sich gut zur Steuerung des Schweißmodus, für Starter und Ladegeräte sowie für leistungsstarke Automatisierungseinheiten. Bei der Versorgung leistungsstarker Verbraucher mit Gleichstrom wird häufig eine Gleichrichterschaltung mit vier Leistungsventilen verwendet (Abb. 1).
Einer Diagonale der „Brücke“ wird eine Wechselspannung zugeführt, von der anderen Diagonale wird die Ausgangsgleichspannung (pulsierend) abgenommen. In jedem Halbzyklus arbeitet ein Diodenpaar (VD1-VD4 oder VD2-VD3). Diese Eigenschaft der Gleichrichter-„Brücke“ ist von Bedeutung: Die Gesamtmenge des gleichgerichteten Stroms kann das Doppelte des maximalen Stroms für jede Diode erreichen. Die Grenzspannung der Diode darf nicht niedriger sein als die Spitzeneingangsspannung. Da die Spannungsklasse der Leistungsventile den Vierzehntel (1400 V) erreicht, ist dies für ein Haushaltsstromnetz kein Problem. Die vorhandene Sperrspannungsreserve ermöglicht den Einsatz von Ventilen mit einer gewissen Überhitzung und kleinen Heizkörpern (nicht missbrauchen!). Aufmerksamkeit! Mit „B“ gekennzeichnete Leistungsdioden leiten Strom, „wie“ Dioden D226 (vom flexiblen Ausgang zum Gehäuse), mit „VL“ gekennzeichnete Dioden – vom Gehäuse zum flexiblen Ausgang. Der Einsatz von Ventilen unterschiedlicher Leitfähigkeit ermöglicht die Installation auf nur zwei Doppelheizkörpern. Wenn jedoch die „Gehäuse“ der „VL“-Ventile (Ausgang „Minus“) mit dem Gerätekörper verbunden sind, muss nur noch ein Kühler isoliert werden, auf dem mit „B“ gekennzeichnete Dioden installiert sind. Eine solche Schaltung ist einfach zu installieren und zu „einstellen“, allerdings treten Schwierigkeiten auf, wenn man den Laststrom regeln muss. Wenn mit dem Schweißvorgang alles klar ist (Ballast anbringen), dann gibt es große Probleme mit der Startvorrichtung. Nach dem Anlassen des Motors ist ein großer Strom unnötig und schädlich, daher ist es notwendig, ihn schnell abzuschalten, da jede Verzögerung die Batterielebensdauer verkürzt (es kommt nicht selten vor, dass Batterien explodieren!). Für die praktische Umsetzung ist die in Abb. 2 dargestellte Schaltung sehr praktisch, bei der die Thyristoren VS1, VS2 die Funktionen der Stromregelung übernehmen und die Leistungsventile VD1, VD2 in derselben Gleichrichterbrücke enthalten sind.
Die Installation wird dadurch erleichtert, dass jedes „Dioden-Thyristor“-Paar auf einem eigenen Strahler montiert ist. Heizkörper können standardmäßig verwendet werden (industrielle Produktion). Eine andere Möglichkeit besteht darin, Heizkörper aus Kupfer und Aluminium mit einer Dicke von über 10 mm selbst herzustellen. Um die Größe der Heizkörper auszuwählen, ist es notwendig, das Layout des Geräts zusammenzustellen und es im Schwerlastmodus zu „fahren“. Nicht schlecht, wenn nach einer 15-minütigen Belastung die Gehäuse der Thyristoren und Dioden die Hand nicht „verbrennen“ (in diesem Moment die Spannung ausschalten!). Der Körper des Gerätes muss so gestaltet sein, dass eine gute Zirkulation der vom Gerät erwärmten Luft gewährleistet ist. Es schadet nicht, einen Lüfter zu installieren, der dabei hilft, die Luft von unten nach oben zu treiben. Praktisch sind Lüfter, die in Racks mit Computerplatinen oder in „sowjetischen“ Spielautomaten installiert sind. Es ist möglich, die Schaltung eines einstellbaren Gleichrichters vollständig auf Thyristoren auszuführen (Abb. 3). Das untere (gemäß Schema) Thyristorpaar VS3, VS4 wird durch Impulse vom Steuergerät angesteuert.
An den Steuerelektroden beider Thyristoren treffen gleichzeitig Impulse ein. Ein solcher Aufbau der Schaltung steht im Widerspruch zu den Grundsätzen der Zuverlässigkeit, aber die Zeit hat die Funktionsfähigkeit der Schaltung bestätigt (Thyristoren im Haushaltsstromnetz können nicht durchbrennen, da sie einem Impulsstrom von 1600 A standhalten). Der Thyristor VS1 (VS2) ist als Diode geschaltet – bei einer positiven Spannung an der Anode des Thyristors wird über die Diode VD1 (oder VD2) und den Widerstand R1 (oder R2) ein Auslösestrom an die Steuerelektrode des Thyristors angelegt ). Bereits bei einer Spannung von mehreren Volt öffnet der Thyristor und leitet Strom bis zum Ende der Stromhalbwelle. Der zweite Thyristor, an dessen Anode eine negative Spannung anlag, startet nicht (dies ist nicht erforderlich). Vom Steuerkreis kommt ein Stromimpuls zu den Thyristoren VS3 und VS4. Der Wert des durchschnittlichen Stroms in der Last hängt von den Öffnungszeitpunkten der Thyristoren ab – je früher der Öffnungsimpuls eintrifft, desto länger ist der entsprechende Thyristor geöffnet. Das Öffnen der Thyristoren VS1, VS2 über Widerstände „dämpft“ die Schaltung etwas: Bei niedrigen Eingangsspannungen fällt der Öffnungswinkel der Thyristoren klein aus – es fließt spürbar weniger Strom in die Last als in einer Schaltung mit Dioden (Abb. 2). Somit ist dieses Schema durchaus geeignet, den Schweißstrom entsprechend der „Sekundärspannung“ anzupassen und die Netzspannung gleichzurichten, wobei der Verlust von einigen Volt unbedeutend ist. Die in Abb. 4 dargestellte Schaltung ermöglicht es, die Thyristorbrücke effektiv zur Stromregelung in einem weiten Bereich von Versorgungsspannungen zu nutzen.
Das Gerät besteht aus drei Blöcken:
Der Transformator T1 mit einer Leistung von 20 W versorgt das Steuergerät für die Thyristoren VS3 und VS4 mit Strom und öffnet die „Dioden“ VS1 und VS2. Das Öffnen von Thyristoren mit einer externen Stromversorgung ist bei niedriger (Auto-)Spannung im Stromkreis sowie bei der Versorgung einer induktiven Last wirksam. Die Öffnungsstromimpulse der 5-Volt-Wicklungen des Transformators werden gegenphasig den Steuerelektroden VS1, VS2 zugeführt. Die Dioden VD1, VD2 leiten nur positive Stromhalbwellen an die Steuerelektroden. Wenn die Phasenlage der Öffnungsimpulse „geeignet“ ist, funktioniert die Thyristor-Gleichrichterbrücke, andernfalls fließt kein Strom in der Last. Dieser Nachteil der Schaltung lässt sich leicht beheben: Es genügt, den Netzstecker T1 in die entgegengesetzte Richtung zu drehen (und mit Farbe zu markieren, wie die Stecker und Klemmen der Geräte an das Wechselstromnetz anzuschließen sind). Beim Einsatz der Schaltung in einem Starter-Ladegerät ist im Vergleich zur Schaltung in Abb. 3 ein Anstieg des Ausgangsstroms spürbar. Das Vorhandensein eines Schwachstromkreises (Netztransformator T1) ist sehr vorteilhaft. Durch Unterbrechen des Stroms mit Schalter S1 wird die Last vollständig stromlos gemacht. Daher kann die Unterbrechung des Anlaufstroms mit einem kleinen Endschalter, einem Leistungsschalter oder einem Schwachstromrelais (durch Hinzufügen eines automatischen Auslösers) erfolgen. Dies ist ein sehr wichtiger Punkt, da es viel schwieriger ist, Hochstromkreise zu unterbrechen, die einen guten Kontakt für den Stromdurchgang erfordern. Es war kein Zufall, dass wir uns an die Phasenlage des T1-Transformators erinnerten. Wenn der Stromregler im Starter-Ladegerät oder im Stromkreis des Schweißgeräts „eingebaut“ wäre, würde das Phasenproblem zum Zeitpunkt der Einrichtung des Hauptgeräts gelöst. Unser Gerät ist speziell mit breitem Profil gefertigt (da der Einsatz des Startgeräts von der Jahreszeit abhängt und Schweißarbeiten daher unregelmäßig durchgeführt werden müssen). Sie müssen den Betriebsmodus einer leistungsstarken elektrischen Bohrmaschine steuern und Nichrom-Heizungen betreiben. Abbildung 5 zeigt ein Diagramm der Thyristor-Steuereinheit. Die Gleichrichterbrücke VD1 versorgt den Stromkreis mit einer pulsierenden Spannung von 0 bis 20 V.
Diese Spannung wird über die Diode VD2 dem Kondensator C1 zugeführt, eine konstante Versorgungsspannung wird für einen leistungsstarken Transistor „Schlüssel“ an VT2, VT3 bereitgestellt. Die pulsierende Spannung über den Widerstand R1 wird dem parallel geschalteten Widerstand R2 und der Zenerdiode VD6 zugeführt. Der Widerstand „bindet“ das Potential von Punkt „A“ (Abb. 6) auf Null und die Zenerdiode begrenzt die Impulsspitzen auf dem Niveau der Stabilisierungsschwelle. Begrenzte Spannungsimpulse laden den Kondensator C2 auf, um den DD1-Chip mit Strom zu versorgen. Auf den Eingang des Logikelements wirken die gleichen Spannungsimpulse. Bei einer bestimmten Spannungsschwelle schaltet das Logikelement. Unter Berücksichtigung der Umkehrung des Signals am Ausgang des Logikelements (Punkt „B“) sind die Spannungsimpulse kurzzeitig in der Nähe des Moments der Eingangsspannung Null.
Das nächste Logikelement invertiert die Spannung „B“, sodass die Spannungsimpulse „C“ eine viel längere Dauer haben. Während der Spannungsimpuls „C“ aktiv ist, wird der Kondensator C3 über die Widerstände R4 und R3 aufgeladen. Die exponentiell ansteigende Spannung am Punkt „E“ „schaltet“ im Moment des Übergangs durch die logische Schwelle das logische Element. Nach der Invertierung durch das zweite Logikelement entspricht die hohe Eingangsspannung am Punkt „E“ einer hohen Logikspannung am Punkt „F“. Zwei unterschiedliche Widerstandswerte R4 entsprechen zwei Oszillogrammen am Punkt „E“:
Sie sollten auch auf die Stromversorgung der Basis des Transistors VT1 mit dem Signal „B“ achten, während die Eingangsspannung auf Null sinkt, der Transistor VT1 bis zur Sättigung öffnet, der Kollektorübergang des Transistors den Kondensator C3 entlädt (dort). ist die Vorbereitung für den Ladevorgang in der nächsten Spannungshalbwelle). Somit stellt sich am Punkt „F“ je nach Widerstand R4 früher oder später der logische High-Pegel ein:
Der Verstärker an den Transistoren VT2 und VT3 „wiederholt“ die Logiksignale Punkt „G“. Oszillogramme wiederholen an dieser Stelle F1 und F2, aber die Spannung erreicht 20 V. Über die Trenndioden VD4, VD5 und die Begrenzungswiderstände R9 R10 wirken Stromimpulse auf die Steuerelektroden der Thyristoren VS3 VS4 (Abb. 4). Einer der Thyristoren öffnet und ein gleichgerichteter Spannungsimpuls gelangt zum Ausgang des Blocks. Der kleinere Wert des Widerstands R4 entspricht dem größeren Teil der Halbwelle der Sinuskurve – H1, der größere – dem kleineren Teil der Halbwelle der Sinuskurve – H2 (Abb. 4). Am Ende der Halbwelle stoppt der Strom und alle Thyristoren schließen. Somit entsprechen unterschiedliche Werte des Widerstands R4 unterschiedlichen Dauern von „Segmenten“ der Sinusspannung an der Last. Die Ausgangsleistung lässt sich praktisch von 0 bis 100 % einstellen. Die Stabilität des Gerätes wird durch den Einsatz von „Logik“ bestimmt – die Schaltschwellen der Elemente sind stabil. Wenn bei der Installation keine Fehler auftreten, funktioniert das Gerät stabil. Beim Austausch des Kondensators C3 müssen die Widerstände R3 und R4 ausgewählt werden. Der Austausch von Thyristoren im Leistungsteil erfordert möglicherweise die Auswahl von R9, R10 (es kommt vor, dass sich selbst Leistungsthyristoren des gleichen Typs stark in den Einschaltströmen unterscheiden – Sie müssen den weniger empfindlichen ablehnen). Die Spannung an der Last können Sie jederzeit mit einem „geeigneten“ Voltmeter messen. Aufgrund der Mobilität und Vielseitigkeit der Steuereinheit verwendeten wir ein automatisches Zwei-Grenzwert-Voltmeter (Abb. 7).
Die Spannungsmessung bis 30 V erfolgt durch den PV1-Kopf vom Typ M269 mit zusätzlichem Widerstand R2 (die Skalenabweichung ist bei 30 V Eingangsspannung einstellbar). Der Kondensator C1 ist erforderlich, um die dem Voltmeter zugeführte Spannung zu glätten. Der Rest der Schaltung dient dazu, den Maßstab um den Faktor 10 „aufzurauhen“. Über die Glühlampe (Barretter) HL3 und den Trimmerwiderstand R3 wird die Glühlampe des Optokopplers U1 mit Strom versorgt, die Zenerdiode VD1 schützt den Eingang des Optokopplers. Eine große Eingangsspannung führt zu einer Verringerung des Widerstandswerts des Optokopplerwiderstands von Megaohm auf Kiloohm, der Transistor VT1 öffnet, das Relais K1 wird aktiviert. In diesem Fall erfüllen die Relaiskontakte zwei Funktionen: Sie öffnen den Abstimmwiderstand R1 – der Voltmeterkreis schaltet auf die Hochspannungsgrenze; Anstelle der grünen LED HL2 leuchtet die rote LED HL1. Rot, eine besser sichtbare Farbe, wurde speziell für die Hochspannungsskala ausgewählt. Aufmerksamkeit! Die Einstellung von R1 (Skala 0...300) erfolgt nach der Einstellung von R2. Die Stromversorgung des Voltmeterkreises erfolgt über das Thyristorsteuergerät. Die Entkopplung von der Messspannung erfolgt über einen Optokoppler. Die Schaltschwelle des Optokopplers kann etwas höher als 30 V eingestellt werden, was die Anpassung der Waage erleichtert. Die Diode VD2 ist erforderlich, um den Transistor vor Spannungsspitzen zu schützen, wenn das Relais abgeschaltet wird. Die automatische Umschaltung der Voltmeterskalen ist gerechtfertigt, wenn das Gerät zur Versorgung verschiedener Lasten verwendet wird. Die Nummerierung der Optokoppler-Pins ist nicht angegeben: Mit einem Tester kann man leicht zwischen Eingangs- und Ausgangspins unterscheiden. Der Widerstand der Optokopplerlampe beträgt Hunderte von Ohm und der Fotowiderstand beträgt Megaohm (zum Zeitpunkt der Messung ist die Lampe nicht mit Strom versorgt). Abbildung 8 zeigt die Draufsicht des Geräts (Abdeckung entfernt). VS1 und VS2 sind auf einem gemeinsamen Kühlkörper installiert, VS3 und VS4 sind auf separaten Kühlkörpern installiert. Für Thyristoren mussten die Gewinde an den Heizkörpern durchtrennt werden. Die flexiblen Ausgänge der Leistungsthyristoren werden abgeschnitten, die Installation erfolgt mit einem dünneren Draht.
Abbildung 9 zeigt eine Ansicht der Frontplatte des Geräts.
Links befindet sich der Laststrom-Einstellknopf, rechts die Voltmeter-Skala. In der Nähe der Skala sind LEDs angebracht, die obere (rot) befindet sich in der Nähe der Aufschrift „300 V“. Die Anschlüsse des Geräts sind nicht sehr leistungsstark, da es zum Schweißen dünner Teile verwendet wird, bei denen die Genauigkeit der Aufrechterhaltung des Modus sehr wichtig ist. Die Startzeit des Motors ist kurz, sodass die Ressourcen der Terminalverbindungen ausreichend sind. Die obere Abdeckung ist mit einem Abstand von einigen Zentimetern an der Unterseite befestigt, um eine bessere Luftzirkulation zu gewährleisten. Das Gerät lässt sich leicht aufrüsten. Um den Startmodus eines Automotors zu automatisieren, sind also keine zusätzlichen Details erforderlich (Abb. 10).
Zwischen den Punkten „D“ und „E“ des Steuergeräts ist es erforderlich, eine Öffnerkontaktgruppe des Relais K1 aus dem Stromkreis eines Zweipunkt-Voltmeters einzuschalten. Wenn die Umstrukturierung von R3 die Schaltschwelle des Voltmeters nicht auf 12 ... 13 V bringt, müssen Sie die HL3-Lampe durch eine leistungsstärkere ersetzen (statt 10 15 W einbauen). Startgeräte der Industrieproduktion sind auf die Schaltschwelle von sogar 9 V eingestellt. Wir empfehlen, die Schaltschwelle des Gerätes auf eine höhere Spannung einzustellen, da bereits vor dem Einschalten des Anlassers die Batterie mit etwas Strom (bis zur Schaltschwelle) versorgt wird. Nun erfolgt der Start mit leicht „aufgeladener“ Batterie, zusammen mit einer automatischen Startvorrichtung. Wenn die Bordspannung ansteigt, „schließt“ die Automatisierung die Stromversorgung vom Startgerät, bei wiederholten Starts im richtigen Moment wird die Aufladung wieder aufgenommen. Mit dem im Gerät vorhandenen Stromregler (Einschaltdauer der gleichgerichteten Impulse) können Sie die Höhe des Einschaltstroms begrenzen. Autoren: N. P. Goreiko, V.S. Herdtiere
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