Регулирование напряжения тиристорных преобразователей осуществляется путем изменения угла открывания тиристоров a. С этой целью каждый тиристорный преобразователь оснащается системой управления, которая обеспечивает формирование управляющих импульсов, а также сдвиг этих импульсов по фазе относительно анодного напряжения тиристоров. Такие системы управления называют импульсно-фазовыми.
Системы импульсно-фазового управления тиристорными преобразователями (СИФУ) должны удовлетворять ряду специфических требований, которые можно разделить на две группы:
1. Требования, относящиеся к управляющему импульсу.
2. Требования, обусловленные схемой выпрямления и используемыми режимами тиристорных преобразователей.
Для надежного открывания тиристора на его управляющий электрод нужно подать импульс определенной полярности и длительности. Для надежного открывания любого тиристора данной серии применяемая СИФУ должна обеспечить ток и напряжение управления, превышающие наибольший ток и напряжение управления, указываемые для тиристоров данной серии. Кроме того, мощность потерь, выделяющихся в цепи управляющий электрод — катод также ограничивается максимально допустимым значением.
Минимальная длительность управляющего импульса должна быть больше времени включения тиристора, а за время существования импульса ток в анодной цепи тиристора должен успеть вырасти до уровня тока удержания.
Крутизна переднего фронта напряжения управляющего импульса должна быть достаточной для обеспечения быстрого нарастания тока управления, четкого отпирания тиристора и уменьшения потерь при включении. При малой крутизне из-за различия параметров цепей управления тиристоров в многофазных схемах может появиться асимметрия выпрямленного напряжения.
Особенно высоки требования к крутизне управляющих импульсов при последовательном и параллельном соединении тиристоров, так как недостаточная крутизна приводит к их неодновременному открыванию. При параллельном соединении это приводит к кратковременной перегрузке тиристора, который открывается раньше, а при последовательном соединении все анодное напряжение может быть приложено к тиристору, открывающемуся последним. В обоих случаях неодновременное открывание тиристоров может привести к выходу их из строя.
Обычно управляющий импульс формируется с крутизной переднего фронта 0,2 — 2 А/мкс. При последовательном и параллельном соединении тиристоров крутизну следует выбрать ближе к верхнему пределу.
Необходимый максимальный диапазон регулирования угла а для тиристорного преобразователя, работающего как в выпрямительном, так и инверторном режимах теоретически составляет 180°. Однако максимальный угол регулирования из-за возможности опрокидывания инвертора ограничивается 150—160°.
СИФУ должна обеспечивать симметрию управляющих импульсов по фазам. Асимметрия вызывает неравномерную нагрузку тиристоров из-за различной продолжительности их работы и приводит к ухудшению условий работы питающего трансформатора и сглаживающего дросселя. Допустимая величина асимметрии управляющих импульсов не более 3°.
Быстродействие системы управления тиристорными преобразователями является одним из важнейших ее показателей. С целью достижения максимального быстродействия преобразователя СИФУ выполняются практически безынерционными.
Наиболее распространенными являются многоканальные синхронные системы управления тиристорными преобразователями, построенные по вертикальному принципу. В синхронных СИФУ отсчет угла a выполняется от моментов естественного отпирания для каждого плеча моста (или для каждой пары противофазных плеч). Синхронизация с питающей сетью заключается в том, что управляющие импульсы для каждого тиристора тиристорного преобразователя генерируются в диапазоне, жестко связанном с периодичностью повторения анодного напряжения.
Особенностью многоканальных СИФУ является то, что формирование и фазовый сдвиг импульсов осуществляется в отдельном канале для каждого вентильного плеча многофазного тиристорного преобразователя.
Функциональная схема одного канала СИФУ показана на рис. 1. Каждый канал, как правило, содержит фазодвигающееся устройство ФСУ и формирователь импульсов ФИ. Фазосдвигающее устройство, в свою очередь, содержит устройство синхронизации с сетью С, генератор развертки ГР и пороговое устройство (нуль-орган) НО. На вход НО подается кроме опорного напряжения сигнал управления тиристорного преобразователя Ur В общем случае напряжение U может подаваться через специальное входное устройство, осуществляющее согласование параметров сигнала управления тиристорного преобразователя со входом СИФУ.
Рис. 1. Функциональная схема одного канала СИФУ
В момент равенства опорного напряжения и напряжения управления U пороговое устройство переключается, и формирователь импульсов ФИ в этот же момент времени выдает управляющий импульс. Все перечисленные элементы могут иметь различное исполнение и отличаться по принципу работы.
В СИФУ используют два вида опорных напряжений: линейно изменяющееся во времени и косинусоидальное. В последнем случае при соответствующей фазировке напряжения развертки относительно моментов естественной коммутации тиристоров результирующая регулировочная характеристика тиристорного преобразователя получается линейной Ud = KUr.
В многофазных системах число каналов СИФУ соответствует числу фаз тиристорного преобразователя. Работа каждого канала синхронизируется с соответствующей фазой напряжения сети.
Для обеспечения симметрии работы системы управления узел введения сигнала управления тиристорного преобразователя Uу выполняется общим для всех каналов.
Достоинством многоканальных СИФУ является простота структурной схемы.
Основной недостаток — необходимость подстройки каналов с целью их симметрирования. Асимметрия импульсов по каналам Да на практике составляет 2^3°. Недостатком также являются повышенные аппаратурные затраты, увеличивающиеся пропорционально числу каналов.
Для формирования СИФУ в настоящее время широко используются серийно выпускаемые интегральные микросхемы общего применения (например, операционные усилители серии К553УД2, логические интегральные микросхемы серии К511, гибридные интегральные микросхемы и др.). Ведутся работы по созданию специальных микросхем, реализующих в одном корпусе отдельные узлы или полный канал системы управления, а также по применению микропроцессорной техники для управления преобразователями.
Основной элементной базой для построения преобразователей частоты современных частотно-регулируемых электроприводов малой и средней мощности являются IGB транзисторы. Усилитель импульсов управления, который формирует выходные сигналы требуемой мощности и формы для управления IGB транзистором и изготовленный в виде отдельной интегральной схемы, называется драйвером.
Рис. 2. Структурная схема драйвера IGB транзистора:
I — входной узел;
II — узел согласования; III — выходной узел; 1, 2 — клеммы входного сигнала; 3, 6 — клеммы для подключения источника питания; 4, 5 — клеммы выходного сигнала
Драйвер (рис. 2) содержит входной узел I, принимающий сигнал информационного канала; узел согласования II, преобразующий информационный сигнал в сигнал управления необходимого уровня; выходной узел III, осуществляющий окончательное формирование импульса управления требуемой мощности и формы. Дополнительно на драйвер могут быть возложены функции защиты силового ключа от перегрузки или слежения за уровнем напряжения питания микросхемы.
В зависимости от применяемого вида гальванической развязки входной узел представляет собой либо фотоприемное устройство оптронной пары, как это показано на рис. 2, либо логическую схему, передающую информационный сигнал в узел высокочастотный трансформаторной системы разделения цепей.
Узел согласования представляет собой один или несколько ключевых транзисторов, преобразующих уровень информационного сигнала. Основные требования к узлу согласования — высокий коэффициент усиления по току и повышенное быстродействие.
Входные узлы и узлы согласования драйверов IGB транзисторов строятся по идентичным схемам. Схема построения выходного узла зависит от схемы цепи управления силового ключа и временных параметров режима его управления.
