Основные требования к системам управления тиристорами.
Управляемый кремниевый вентиль — тиристор включается, если анод имеет более высокий потенциал, чем катод, на управляющий электрод подан импульс напряжения положительной полярности и замкнута цепь нагрузки*. Надежное включение тиристоров в схемах преобразователей переменного тока происходит в том случае, если ток и напряжение управления соответствуют входным характеристикам применяемых вентилей.
*Здесь имеется в виду триодный тиристор.
Открывание тиристоров в многофазных управляемых схемах выпрямления, например в трехфазной нулевой схеме по рис. 24при непрерывном токе нагрузки происходит 1 раз в каждый положительный полупериод анодного напряжения. Изменением фазы переднего фронта управляющего импульса относительно переменного анодного напряжения можно осуществить регулирование выходного напряжения преобразователя.
Система управления (СУ) тиристорным преобразователем (ТП) должна выполнять следующие задачи:
создавать синхронизированную с напряжением питающей сети т -фазную систему импульсов управления, каждый из которых способен включить любой тиристор, применяемый в ТП;
позволять сдвигать по фазе импульсы управления относительно анодного напряжения тиристоров.
Для управления тиристорами применяют различные системы, требования к которым определяются спецификой схем преобразовательных установок и общими свойствами тиристоров.
Требования, определяемые свойствами тиристоров:
Для надежного открывания тиристоров, применяемых в силовых преобразователях, с различными сопротивлениями управляющего перехода необходимо обеспечить такие значения тока управления и напряжения на управляющем электроде, которые соответствуют гарантированному включению тиристора с учетом максимальной мощности, выделяемой на управляющем электроде.
Так как сопротивление перехода УЭ—К обычно составляет 2&-40 Ом для тиристоров на /пр = 100^300 А, то напряжение на выходе устройства управления должно быть не более 8—12 В. Это свойство тиристоров позволяет применять дпя систем управления маломощные полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды и др.), малогабаритные резисторы и конденсаторы, а также интегральные полупроводниковые микросхемы, содержащие большое число активных элементов (транзисторов, диодов, стабилитронов) и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности).
Недопустимо подавать на управляющий электрод тиристоров отрицательное напряжение более 0,5—1 В. Наличие отрицательного напряжения на УЭ в обратную полуволну анодного напряжения может привести к увеличению /обр тиристора и выходу его из строя.
Для четкого отпирания тиристоров и надежной работы преобразователя во всех режимах необходимы импульсы отпирающего тока с крутым передним фронтом длительностью около 1 мкс и продолжительностью (шириной) около 10-15° для обеспечения нарастания тока через тиристор до значения тока удержания.
Для управления тиристорами предпочтительным является применение "узких" отпирающих импульсов для ограничения потерь мощности на управляющем переходе вентиля, а также для уменьшения объема и массы импульсных трансформаторов системы управления.
Кроме требований, определяемых общими свойствами тиристоров, от систем управления требуется:
обеспечение относительной симметрии управляющих импульсов, подаваемых на тиристоры различных фаз ТП, с точностью 1—2° во всем диапазоне фазового управления для предотвращения неравномерной загрузки фаз преобразователя током;
обеспечение необходимого диапазона изменения угла управления а для регулирования напряжения на нагрузке от нуля до максимального значения. Это требование определяет диапазон изменения фазы отпирающих импульсов при непрерывном токе в нагрузке в пределах 0-90° для нереверсивных преобразователей и 0—160-165° для реверсивных.
Основные узлы систем управления.
В настоящее время разработано большое количество систем управления тиристорами, число которых непрерывно возрастает. Это обусловлено широким развитием силовой полупроводниковой техники и постоянным расширением областей ее применения.
Современные системы управления тиристорными преобразователями выполняются на основе полупроводниковых и магнитных элементов. С развитием микроэлектроники широкое применение в СУ находят различные типы гибридных и интегральных полупроводниковых схем. В качестве магнитных элементов преимущественно используются импульсные трансформаторы, применяемые для развязки цепей системы управления и силовой части выпрямителя.
Замена отдельных полупроводниковых элементов (транзисторов, диодов, стабилитронов и др.) интегральными схемами (ИС) позволяет получить существенный технико-экономический эффект: улучшить технические характеристики и повысить надежность тиристорных преобразователей, унифицировать отдельные функциональные узлы, уменьшить массу и габариты СУ.
По способу обработки сигналов ИС делятся на аналоговые, в которых входной и выходной сигналы связаны непрерывной функцией, и цифровые, в которых входной и выходной сигналы являются дискретными величинами.
По используемым методам управления ТП можно выделить группу СУ с импульсно-фазовым управлением. В этих системах осуществляется сдвиг управляющих импульсов по фазе относительно напряжения питания тиристоров. Как правило, такие системы состоят из следующих основных узлов: входного устройства (ВУ), фазосдвигающего устройства (ФУ), формирователя отпирающих импульсов (ФИ) и оконечного (выходного) узла каналов управления.
Входные устройства предназначаются для формирования различной формы напряжений, синхронизированных с переменным напряжением 1/2ф. подаваемым на тиристоры. Относительно системы напряжений ВУ производится формирование отпирающих импульсов и распределение их по каналам управления тиристорами соответственно подключению их к фазам силового трансформатора.
Наиболее распространенным входным устройством является многообмоточный трансформатор. На рис. 38,з изображена схема ВУ, которая часто используется в системах управления трехфазными выпрямителями. При трехканальной системе управления такими выпрямителями на тиристоры, подключенные к одной фазе силового трансформатора, должны поступать отпирающие импульсы, сдвинутые относительно друг друга на угол 120°. Входное устройство представляет собой небольшой мощности трансформатор, на первичные обмотки которого подается трехфазное напряжение сети, питающей выпрямитель. Каждая из вторичных обмоток ВУ выполнена из двух полуобмоток, которые можно соединять в звезду или зигзаг, что позволяет снимать с них трехфазную систему напряжений, сдвинутых в сторону опережений или отставания относительно соответствующих первичных напряжений (рис. 38,г) на углы 30, 90 и 120° (рис. 38,в), и облегчает начальную фазировку СУ.
Рис. 38. Схемы входных устройств на трансформаторах: а — для трехфазных и 6 — шестифазных выпрямителей, в—д — векторные диаграммы напряжений на обмотках
Дпя управления тиристорами шестифазного выпрямителя с нулевой точкой СУ должна формировать отпирающие импульсы, сдвинутые один относительно другого на угол 60°. В этом случае вторичные полуобмотки трансформатора ВУ следует соединить по схеме, представленной на рис. 38,6. При этом получается шестифазная система вторичных напряжений, векторная диаграмма которых изображена на рис. 38,д. Напряжение с каждой полуобмотки поступает на вход соответствующего канала управления, в котором происходит формирование отпирающих импульсов. Изменением схемы включения первичных обмоток трансформатора ВУ можно получить желаемое расположение выходного напряжения по отношению к анодному напряжению тиристора.
Во многих ВУ используется выходное напряжение пилообразной формы, которое можно получить различными способами.
Рис. 39. Схемы полупроводниковых входных устройств: а — диодный и в — транзисторный генераторы пилообразных напряжений; б иг— временное диаграммы напряжений на элементах
В настоящее время наибольшее применение нашел способ формирования пилообразного напряжения путем заряда конденсатора через резистор от источника постоянного напряжения и последующего быстрого его разряда. На рис. 39,а показана принципиальная схема такого ВУ, выполненного на диодах. В положительный полупериод синусоидального напряжения ивх, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора Т, когда точка а имеет положительный потенциал по отношению к точке Ь, диод V2 закрыт и под действием постоянного напряжения Un конденсатор С будет заряжаться по цепи +Un, С, R1. — Un. Напряжение Un выбирается больше амплитудного значения ивх, а параметры R1 и С — такими, чтобы за время одного полупериода напряжения ивх напряжение ис достигало значения, значительно меньшего Un. Поэтому заряд конденсатора С будет происходить практически по линейному закону (рис. 39,6).
В момент времени 11 напряжение на конденсаторе будет равно напряжению ивх (в точке А), при этом образуется дополнительная цепь для протекания тока от источника' постоянного напряжения: +U„, вторичная обмотка Т, VI, R2, R1, — Un. Конденсатор С начнет разряжаться, при этом напряжение ис будет практически изменяться так же, как и ивх на участке АБ. В момент t2 напряжение ивх изменит знак и диод V2 откроется. По цепи VI, R2, V2, вторичная обмотка убудет протекать ток под действием напряжения ивх. Напряжение на конденсаторе С в этом полупериоде равно прямому падению напряжения на диоде V2. т.е. можно считать, что ис « о. В момент Г3 напряжение ивх снова изменит свой знак, диод V2 закроется, конденсатор С начнет заряжаться. Рассмотренные процессы периодически повторяются.
В результате на выходе ВУ формируется периодически изменяющееся напряжение пилообразной формы Uвых = ис с длительностью рабочего участка OA практически не более 160°, синхронизированное с входным напряжением ивх. Это напряжение может быть использовано для формирования отпирающих импульсов, синхронизированных с анодным напряжением тиристоров.
В следующий положительный полупериод ивх транзистор снова закрывается и т.д. Форма пилообразного напряжения в этой схеме показана на рис. З8.г, при этом длительность рабочего участка OA = 180°.
Фазосдвигающие устройства (ФСУ) используются в СУ выпрямителями для регулирования фазы отпирающих импульсов. Последовательность процессов получения импульсов и сдвига их по фазе в реальных ФСУ бывает различной. В электромагнитных системах управления переменное напряжение сначала может сдвигаться по фазе или изменяться по форме, а затем происходит формирование из этого напряжения управляющего импульса.
В полупроводниковых СУ, которые в настоящее время считаются наиболее перспективными, формирование управляющего импульса происходит в момент равенства переменного напряжения (синусоидального, треугольного или пилообразного) и наложенного на него постоянного напряжения 1/у, поступающего от устройств управления.
Изменяя значение Uy (сравнивая его по "в е р т и к а л и" с переменным напряжением), можно осуществлять сдвиг импульсов управления по фазе в широком диапазоне и обеспечивать регулирование выпрямленного напряжения в пределах от 0 до ±Udmax.
Рис. 40. Формирование отпирающих импульсов на принципе вертикально-фазового управления: а — функциональная схема; б — диаграммы напряжений и выходных импульсов
На рис. 40,а приведена функциональная схема одного канала такой, системы, в которую входят ФСУ и ФИ. Фазосдвигающее устройство, в свою очередь, содержит генератор опорного напряжения ГОН, синхронизируемый синусоидальным напряжением ивх, и нуль-орган НО. На вход нуль-органа кроме опорного напряжения иоп, в Данном случае имеющего полиообразную форму, подается также внешнее напряжение управления иу. В момент равенства опорного напряжения уОП и напряжения управления Uy нуль- орган переключается, и в этот же момент времени ФИ выдает управляющий импульс Uвых (рис. 40,6). При изменении значения Uy изменяется фаза выходного импульса относительно начала напряжения иоп. Перечисленные элементы ФСУ могут быть выполнены по различным схемам и на разной элементной базе.
Данный принцип может быть реализован и непосредственным сравнением опорного синусоидального напряжения, снимаемого со вторичных обмоток входного трансформатора, с напряжением 1/у. Изменяя схему включения первичных обмоток трансформатора, можно получить желаемое расположение кривой опорного напряжения иоп по отношению к анодному напряжению тиристора. Недостатком таких ФСУ является сужение диапазона фазового сдвига Uвых (угол регулирования 0 < а < < 150°), так как при малых и больших углах а затрудняются условия фиксации момента равенства напряжений иоп и Uy.
В качестве н у л ь-о р г а н а чаще всего используют: схемы на одном или двух транзисторах, работающих в ключевом режиме; блокинг-генератор, работающий в ждущем режиме; схемы на операционных усилителях и др. На рис. 41,а приведена схема нуль-органа на одном транзисторе. Пока напряжение управления С/у остается больше опорного напряжения иоп, транзистор 1/7" закрыт, так как база имеет положительный потенциал по отношению к эммитеру. В этом случае напряжение на резисторе R2 будет равно нулю, так же как и напряжение Uвых. Когда же напряжение иоп станет чуть больше (Уу (практически при иоп = С/у), транзистор откроется и все напряжение UH будет приложено к /72. Конденсатор С начнет заряжаться по цепи +UK. VT, С, R3, R4, -UK. и через короткий промежуток времени напряжение на нем станет равным напряжению на резисторе R2. В этот момент ток через резистор R4 прекратится.
Таким образом, при открывании транзистора 1/7" на резисторе R4 формируется кратковременный импульс напряжения, который является выходным напряжением 1/ВЫх нуль-органа.
Рис. 41. Схемы нуль-органов ФСУ:
а — на одном транзисторе; б — на операционном усилителе
При закрывании транзистора конденсатор С разряжается по цепи R2, VD и напряжение на резисторе R4 остается практически равным нулю.
В качестве сравнивающего узла нуль-органа можно использовать схему на операционном усилителе (рис. 41,6). Операционный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель постоянного тока, выполненный на интегральной микросхеме, имеющей два входа и один выход, не считая выводов для подключения источников питания. Важным достоинством ОУ по сравнению с обычными транзисторными схемами усилителей является то, что входные токи ОУ очень малы (10~s—10~9 А), а коэффициент усиления наиболее распространенных в настоящее время ОУ составляет 104—10s. Применение ОУ в различных схемах основано на введении обратных связей (между выходом и входом), которые обеспечивают различные функциональные свойства и необходимый коэффициент усиления схемы [2].
В схеме нуль-органа на рис. 41,6 собственно ОУ усиливает разность напряжений Uy — t/on 0,001 В с большим коэффициентом усиления до максимального значения выходного напряжения £/Вых» которое снимается с резистора R4 и далее преобразуется в кратковременный импульс напряжения Uвых но, как и в предыдущей схеме.
Формирователь импульсов. Нуль-орган ФСУ имеет выходной сигнал малой мощности и произвольной формы. Поэтому получение отпирающих импульсов требуемой формы и длительности, гальванической развязки СУ с силовой цепью преобразователя, усиление импульсов и размножение их при групповом соединении тиристоров обычно осуществляются одним узлом, который именуется формирователем импульсов (ФИ). В зависимости от применяемого активного элемента формирователи импульсов подразделяются на транзисторные, тиристорные и оп- тронные.
На рис. 42,а приведена схема транзисторного ФИ. При подаче с выхода нуль-органа импульса напряжения иВЬ(Х но на базу транзистора VT он открывается и через первичную обмотку трансформатора ТИ протекает кратковременный импульс тока. Со вторичной обмотки трансформатора усиленный короткий импульс тока /у и поступает на управляющий электрод тиристора VC. При параллельном или последовательном соединении тиристоров ТИ может иметь несколько выходных обмоток. Резистор RK ограничивает коллекторный ток во время насыщения трансформатора. Диод VD1 защищает транзистор от перенапряжений при его выключении. Диод VD2 не пропускает на управляющий электрод тиристора VC отрицательные импульсы. Вследствие высокого быстродействия транзисторов ФИ на их основе целесообразно применять для управления высокочастотными тиристорами серии ТЧ.
Для управления мощными тиристорами широкое применение нашли ФИ на маломощных тиристорах с малыми токами управления (рис. 42,6). В исходном состоянии конденсатор С заряжается по цепи: задающее напряжение U3, С, VD2. При подаче с выхода нуль-органа импульса напряжения U выхно открывается вспомогательный тиристор VC1 и конденсатор С разряжается по цепи: С, первичная обмотка трансформатора ТИ, VC1, R2, С. Параметры этой цепи выбирают так, чтобы по первичной обмотке протекал кратковременный импульс тока, а на вторичной обмотке индуктировался узкий импульс тока /уи с крутым передним фронтом.
В процессе коммутации тиристорами импульсов тока большой амплитуды в разрядных цепях возникает высокий уровень помех. Эти помехи распространяются как по соединительным проводам, так и через эфир. При наличии в схеме преобразователя большого количества тиристоров, коммутация которых разнесена во времени, включение одного прибора может привести к включению и других.
Использование трансформаторов для гальванической развязки СУ и силовой части преобразователя имеет некоторые недостатки. Основным из них является наличие паразитных (электромагнитных и емкостных) связей между первичной и вторичной обмотками, затрудняющих обеспечение помехозащищенности узлов СУ.
Рис. 42. Схемы формирователей импульсов: а — транзисторный; б — тиристорный
Более перспективными элементами для обеспечения гальванической развязки в цепях преобразователя и повышения помехозащищенности является применение схем ФИ с оптоэлектронными приборами. В качестве управлямого элемента — приемника света в таких ФИ используются диодные, транзисторные и тиристорные оптопары.
На рис. 43 представлена одна из типовых оптоэлектронных тиристорных схем, используемых в качестве оконечного узла ФИ. Для коммутации силового тиристора VC1 в схеме используется тиристорная оптопара Опт. При подаче импульса управляющего напряжения ивх светодиод VD излучает световой поток, который включает оптронный тиристор VC2. По цепи ~UC. R4, VC2, R3, УЭ- К. ~UC проходит импульс тока/у >т, который открывает силовой тиристор VC1. Такая схема ФИ обеспечивает полную развязку цепей управления и нагрузки выпрямителя, а также помехозащищенность схемы в закрытом состоянии. Это обусловлено тем, что светодиод имеет собственный порог срабатывания.
Система импульсно-фазового управления. В качестве примера рассмотрим схему формирования управляющих импульсов (СИФУ) реверсивных тиристорных преобразователей серии ЭТ6Р, представленную на рис. 44,э для одного канала. Система работает по вертикальному принципу с синусоидальным опорным напряжением и состоит из шести идентичных каналов, каждый из которых формирует импульсы управления катодной и анодной групп тиристоров.
Рис. 43. Схема оптронного формирователя импульсов
Канал управления состоит из следующих узлов: генератора опорного напряжения ГОН на трансформаторе 774, нуль-органа НО на операционном усилителе А101 и формирователя импульсов на транзисторах VT102 и I/ТЮЗ. На вход каждого канала подаются из блока питания СУ шесть синусоидальных напряжений, сдвинутых по фазе на 60 относительно друг друга. Отфильтрованное опорное напряжение ооп, амплитуда которого регулируется переменным резистором R101, снимается с конденсатора С101 и в точке 4 суммируется с напряжением управления 1Уу, поступающим через резистор R104 с выхода СУ. Суммарный сигнал иОП ± ± С/у подается на вход А ЮТ. В зависимости от значения и знака напряжения С/у усилитель АЮ1 будет отпираться отрицательной или положительной попуволновой напряжения иоп.
Фазировка системы управления тиристорами.
Для правильной и надежной работы тиристоров в управляемом преобразователе необходимо тщательно сфазировать СУ вентилями, т.е. нужно обеспечить строгую последовательность подачи отпирающих импульсов на тиристоры по отношению к питающему напряжению. Рассмотрим процесс фазировки СУ на примере трехфазной мостовой схемы выпрямления (рис. 45,а), в которой применяется полупроводниковая СУ, обеспечивающая подачу на каждый тиристор двух узких импульсов, сдвинутых по фазе на 60°.
Ранее было отмечено, что в трехфазной мостовой схеме одновременно работают два тиристора, поэтому напряжение Uвых каждой пары блоков входного устройства СИФУ преобразователем синхронизируется с одной из фаз вторичной обмотки трансформатора, к которой подключены два последовательно соединенных вентиля, составляющих одно плечо вентильного моста.
Рис. 44. Система импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем серии ЭТ6Р:
а — схема СИФУ; в - диаграмма напряжений на элементах
Проверка фазировки системы управления производится с помощью электронного осциллографа, например типов С1-18Б, С1-19 и других, горизонтальную развертку которого и усиление по вертикали следует отрегулировать так, чтобы на экране укладывалась синусоида напряжения и2 ф (рис. 45,6) в удобном для наблюдения и отсчета начальных углов управления а0 масштабе.
Отрегулировав развертку осциллографа и отключив питание СУ, следует поочередно просмотреть на экране и зарисовать на миллиметровой бумаге кривые фазных напряжений, подаваемых на аноды (катоды) тиристоров у/ - V3 - V5 (V4 - V6 - V2), и отметить на оси времени (рис. 45,в) начала и концы положительных полупериодов напряженийи2а,и2ь и и2с. последовательность фаз которых должна соответствовать принятой в энергосистемах, т.е. А — В — С.
Рис. 45. Фазировка системы управления трехфазной мостовой схемы выпрямления:
а — схема включения тиристоров; 6 — градуировка осциллографа; в — кривые напряжений на тиристорах и расположение отпирающих импульсов при a = 90 °
Затем следует отключить силовой трансформатор и включить питание СУ. Поочередно присоединяя к выходным зажимам ВУ осциллограф, необходимо убедиться в том, что каждая пара отпирающих импульсов на тиристорах катодной VI — V3 — V5 и анодной V4- V6- V2 групп сдвинута на 120° и имеет такой же порядок чередования, как и напряжения и2а, и2ь и и2с на тиристорах V1(V4),V3(V6) и V5(V2).
Далее производят начальную установку отпирающих импульсов со сдвигом на 90° относительно точек а, б, в и к, л, м естественного открывания соответствующих тиристоров. Это достигается подбором соединения первичных я вторичных обмоток входного трансформатора блока ФСУ, вследствие чего происходит сдвиг по фазе пилообразных напряжений ип каналов управления тиристорами.
Сдвиг на 90 начальных импульсов управления каждой пары относительно точек естественного открывания тиристоров соответствует на диаграмме трехфазного напряжения началам положительных полуволн напряжений последующих фаз (моменты tt2, t3, ts . . . на рис. 45,в) для тиристоров V1 — V3—V5 и концам тех же полуволн напряжений (моменты f4, r6, f8 ...) для тиристоров V4 — V6 — V2. Точная установка начального значения угла регулирования а„ = 90° для каждого тиристора схемы выпрямления в режиме непрерывного тока производится изменением напряжения смещения исм, подаваемого на вход нуль-органа каждого канала ФСУ (см. рис. 41 ,а).
После проведения фазировки системы управления следует произвести пробное включение преобразователя и регулировку выпрямленного напряжения. Для этого к выходным зажимам выпрямителя необходимо подключить нагрузочный резистор соответствующего сопротивления, вольтметр постоянного тока и электронный осциллограф. Затем подается питание на СУ, силовой трансформатор Т и задающий потенциометр, с которого снимается напряжение Uy для подачи в систему управления.
Плавно изменяя напряжение на входе СУ, следует убедиться в соответствующем изменении напряжения на выходе выпрямителя по вольтметру и с помощью осциллографа просмотреть форму выходного напряжения Ud при различных значения[ углов регулирования а. При правильной работе преобразователя все тиристоры должны быть равномерно загружены током, а напряжение Ud должно иметь форму, соответствующую схеме выпрямления (в качестве примера см. рис. 19,в).
