АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрена структурная организация и функциональные взаимосвязи узлов импульсного частотного преобразователя, предназначенного для формирования регулируемого выходного напряжения на основе входного сетевого сигнала частотой 50 Гц.

Приведены расчётные зависимости для генератора ШИМ-сигнала на микросхеме NE 555, обосновано применение делителей фазных интервалов на CD4017, силовых MOSFET-транзисторов IRF1404 и тиристоров серии T161-160A. Показана корректность выбора компонентного состава по электрическим, тепловым и динамическим параметрам.

ABSTRACT

The article discusses the structural organization and functional relationships of the components of a pulse frequency converter designed to generate a controllable output voltage based on an input grid signal with a frequency of 50 Hz. The paper presents calculation formulas for a PWM signal generator using the NE 555 integrated circuit and justifies the use of phase interval dividers based on the CD4017, power MOSFET transistors IRF1404, and thyristors of the    T161-160A series. The correctness of the component selection is demonstrated in terms of electrical, thermal, and dynamic parameters.

Ключевые слова: частотные преобразователь, генератор ШИМ-сигнала на NE 555, микросхема CD4017, силовой драйвер импульсов на MOSFET IRF1404, тиристор T161-160A.

Keywords: frequency converter, PWM signal generator using NE 555, CD4017 integrated circuit, MOSFET IRF1404 power driver, T161-160A thyristor.

Введение

Частотные преобразователи являются ключевыми элементами современных систем электропривода, обеспечивая плавное регулирование скорости вращения электродвигателей и повышая энергетическую эффективность оборудования. Однако производство таких устройств налажено не во всех странах, поэтому задача их самостоятельной сборки при минимальных затратах приобретает особую актуальность. Одним из эффективных подходов к созданию преобразовательных устройств является использование импульсных методов формирования фазных напряжений, основанных на применении низковольтных драйверных каскадов и высоковольтных силовых коммутаторов.  В настоящей работе рассматривается топология преобразователя, в которой управление силовой частью реализуется на основе ШИМ-сигнала, генерируемого микросхемой NE 555, далее распределяемого на шесть фаз с помощью счетчиков CD4017. Для коммутации управляющих импульсов на первичную обмотку трансформатора используются MOSFET-транзисторы IRF1404, а формирование трёхфазного выходного напряжения силовой части осуществляется тиристорами T161-160A [1-3].

Основная часть

Преобразователь условно разделяется на четыре функциональных блока:

• генератор ШИМ-сигнала на NE 555;
• фазораспределитель на трёх микросхемах CD4017
• силовой драйвер импульсов на MOSFET IRF1404;
• силовой трёхфазный каскад на тиристорах T161-160A.

Каждый из перечисленных узлов выполняет автономную, но системно взаимосвязанную функцию, что обеспечивает формирование выходного напряжения требуемой частоты при входных 50 Гц.

Микросхема NE 555 (рисунок 1.) применяется в стабильном режиме и обеспечивает формирование импульсной последовательности с частотой, кратной входной частоте 50 Гц [4-6].

Рисунок 1. Внешний вид микросхемы NE 555 (в качестве генератора ШИМ сигналов)

Основная расчетная формула частоты:

f = 1 / ( ln(2) · (R1 + 2·R2) · C )                                                                     (1)

При выборе частоты ШИМ f = 36 кГц получаем: C = 1 нФ, R1 = 1 кОм, R2 ≈ 19.5 кОм. Частота выбрана с учетом следующих факторов: достаточная кратность по отношению к входным 50 Гц, соответствие динамическим характеристикам MOSFET IRF1404.

Последовательная работа трех микросхем CD4017 обеспечивает выделение шести равномерно распределённых фазных интервалов. Каждая фаза активируется один раз за период:

T__шим = 1 / f__шим                                                                                          (2)

При f_шим = 36 000 Гц: f_phase = 6000 Гц.

Это значение служит базовой частотой подачи управляющих импульсов на первичную обмотку трансформатора, откуда они поступают на вход тиристоров для их управления. Микросхема CD4017 (Рисунок 2.) выбран из-за: высокой надёжности, низкого энергопотребления, совместимости уровня входного сигнала с выходом NE 555.

Рисунок 2. Внешний вид микросхемы CD 4017

Полевой транзистор MOSFET IRF1404 (рисунок 3.) используется для коммутации напряжения 12 В на первичной обмотке импульсного трансформатора.

Его ключевые параметры: сопротивление канала Rds(on) ≈ 0.004 Ом, предельный импульсный ток > 500 А, малое время переключения и высокий КПД в импульсных схемах.

Рисунок 3. Внешний вид транзистора MOSFET IRF1404

Для расчета тепловых потерь в транзисторе MOSFET IRF1404 используется формула (3):

P_loss = I² · Rds(on) · D                                                                        (3)

где D — коэффициент заполнения ШИМ. При значении тока I = 150 А, сопротивлении канала Rds(on) = 0.004 Ом, коэффициента заполнения ШИМ D = 0.5, получаем: P_loss ≈ 45 Вт. Это значение допустимо при наличии радиатора и соответствует параметрам IRF1404.

В качестве силовой части преобразователя использован тиристор    T161-160A (рисунок 4.), который формирует трёхфазное выходное напряжение. Каждому фазному интервалу CD4017 соответствует один тиристор.

Основные электрические параметры тиристора: предельный ток до    160 А, допустимое обратное напряжение 800–1600 В, рабочая частота до   400 Гц,  малая мощность управляющего сигнала.

Мощность силовой части вычисляется по формуле:

P_out = √3 · U__L · I__L · cos(φ)                                                                  (4)

где, U__L = 380 В, I__L = 50 А, cos(φ) = 0.9, имеем: P_out ≈ 32.3 кВт

Рисунок 4. Внешний вид тиристора T161-160A

Тиристор T161-160A обеспечивает необходимый запас по току и напряжению.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ РАДИАТОРА ДЛЯ ТИРИСТОРА T161-160A

1. Исходные данные

номинальный ток тиристора: I_nom = 160 А

падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии:

U_T ≈ 1.7–2.0 В

допустимая температура p-n перехода: T_j_max = 125 °C

максимальная температура окружающей среды: T_amb = 40 °C

тепловое сопротивление переход–корпус: R_th(j–c) = 0.15…0.20 °C/Вт

Тепловые потери определяются выражением (5):

P_loss = U_T · I_avg                                                                          (5)

Для промышленного тиристора в мостовой схеме средний ток в открытом состоянии обычно составляет 0.7–0.8 от линейного. Возьмём:

I_avg = 0.75 · I_nom = 0.75 · 160 ≈ 120 А

Если падение напряжения U_T = 1.8 В, то: P_loss = 1.8 · 120 = 216 Вт

Для более тяжёлых режимов можно взять округлённо:

P_loss ≈ 220 Вт

ДОПУСТИМОЕ СУММАРНОЕ ТЕПЛОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Тепловая цепочка определяется выражением (6):

T_j − T_amb = P_loss · ( R_th(j–c) + R_th(c–h) + R_th(h–a) )                                        (6)

Отсюда требуемое сопротивление радиатора (7):

R_th(h–a) = ( T_j_max − T_amb ) / P_loss − R_th(j–c) − R_th(c–h)                                  (7)

Подставляем известные данные:

T_j_max = 125 °C; T_amb = 40 °C; P_loss = 220 Вт;

R_th(j–c) = 0.15 °C/Вт; R_th(c–h) = 0.05 °C/Вт;

Разность температур: ΔT = 125 − 40 = 85 °C

Теперь:

R_th(h–a) = 85 / 220 − 0.15 − 0.05

R_th(h–a) = 0.386 − 0.20

R_th(h–a) ≈ 0.186 °C/Вт

Итак, для безопасного теплового режима одного тиристора T161-160A необходимо радиатор с сопротивлением:

R_th(h–a) ≤ 0.2 °C/Вт

Такие тепловые сопротивления обеспечивают:

крупные радиаторные профили площадью 2500–4000 см²,

наличие выражённых рёбер охлаждения,

использование принудительного воздушного охлаждения (вентилятор) в 50–80 м³/ч.

При естественном охлаждении:

Для R_th ≈ 0.18 °C/Вт потребуется:

длина профиля 250–300 мм,

высота рёбер 50–80 мм,

толщина основания 5–10 мм,

площадь поверхности не менее 0.3–0.5 м² только для одного тиристора.

Исходя из расчетов можно сделать вывод о том, что использование тиристора T161-160A в мощных преобразовательных схемах требует применения радиаторов с крайне низким тепловым сопротивлением и глубоким рёберным алюминиевым профилем или активного охлаждения (рисунок 5).

Рисунок 5. Рекомендуемый вид алюминиевого радиатора для охлаждения высоковольтного тиристора T161-160A

Все компоненты собраны в едином устройстве, и оно показало устойчивое управления электродвигателем мощностью 3 кВт (рисунок 6.).

Рисунок 6. Прототип ЧП изготовленного для тестирования

Выводы

Уверенная регулировка обороты двигателя подтверждает корректность выбора компонентной базы частотного преобразователя. NE555 обеспечивает стабильный ШИМ-сигнал, CD4017 — равномерное фазораспределение, MOSFET IRF1404 — эффективную импульсную коммутацию, а тиристоры T161-160A — надёжную работу силовой части.

Список литературы:

1. Иванов С. А. Преобразователи частоты и системы управления электроприводом. — М.: Энергоатомиздат, 2018. — 320 с.
2. Петров В. В., Козлов А. Н. Силовая электроника: теория и практика. — СПб.: Питер, 2020. — 450 с.
3. Васильев Ю. М. Управление электрическими двигателями: теория и методы. — М.: Горячая линия — Телеком, 2017. — 280 с.
4. Rashid M. H. Power Electronics: Circuits, Devices and Applications. 4th ed. — Pearson, 2013. — 912 p.
5. Hart D. W. Power Electronics. — McGraw-Hill, 2010. — 600 p.
6. Datasheet TCA785, Texas Instruments [Электронный ресурс]. URL: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tca785.pdf (дата обращения: 04.12.2025).