Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ЭМПС / Лекции ЭМПС / Системы управления ТП.doc
Скачиваний:
61
Добавлен:
20.02.2016
Размер:
200.19 Кб
Скачать

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Основное назначение системы управления (СУ) любо­го ТП - обеспечить надежное включение данного тиристора в много­фазной схеме в требуемый момент времени. Для этого система управ­ления должна сформировать импульсный сигнал, подаваемый на уп­равляющий электрод тиристора, причем мощность и длительность сигнала должны быть достаточными для надежного включения любого стандартного тиристора выбранного типа, а крутизна его переднего фронта должна обеспечивать четкость момента включения. Измене­нием фазы управляющего импульса (момента его подачи) осуществляет­ся процесс регулирования ТП.

Таким образом, с учетом ряда особенностей работы ТП система его управления должна выполнять следующие задачи:

создавать синхронизированную с напряжением питающей сети m-фазную систему импульсов управления, каждый из которых спосо­бен включить любой тиристор, используемый в данном ТП;

обеспечивать регулируемый сдвиг по фазе импульсов управления в заданных для данного ТП пределах;

преобразовывать управляющий сигнал или сигнал обратной связи в соответствующий временной сдвиг управляющих импульсов;

обеспечивать устойчивую работу ТП во всех заданных режимах при колебаниях напряжения и частоты питания, сопротивления на­грузки, климатических факторов;

гарантировать нормальную работу ТП при возможных помехах в питающей сети и цепях управления;

обеспечивать надежную работу реверсивных преобразователей и НПЧ, предотвращать опрокидывания инверторов, исключать режимы короткого замыкания во всех видах ТЛ.

Синхронная СУ тиристорного преобразователя обычно включает следующие элементы (рис. 1):

генератор опорного (развертывающего) напряжения ГОН, синхро­низированный с питающей сетью;

нуль-орган НО, формирующий выходной сигнал в момент равен­ства сигналов управления и опорного;

ГОН и НО вместе составляют гак называемое фазосдвигающее устройство ФСУ;

усилитель-формирователь УФ (выходной усилитель), необходимый для формирования требуемого импульса на тиристор, как правило, имеющий гальваническую „развязку" от сети;

элемент обратной связи ОС, используемый в регуляторах и стабилизаторах.

Рис. 1. Структурная схема управле­ния тиристорным преобразователем

В преобразователях с естественной коммутацией выключение очередного тиристора происходит за счет изменения полярности приложенного к нему напряжения и после уменьшения тока до нуля, а в ТП с искусственной коммутацией СУ должны обеспечивать также выключение тиристора в требуемый момент времени обычно подачей сигнала на вспомогательный, коммутирующий тиристор.

Для реализации СУ существует чрезвычайно большое число устройств, основанных на применении полупроводниковых, магнит­ных, оптико-электронных узлов. Однако все СУ могут быть классифи­цированы по четырем основным критериям:

способ представления и обработки информации - аналоговый, цифровой, комбинированный;

способ формирования многофазной системы управляющих сигна­лов - одно- и многоканальный;

способ реализации основных функций (будет рассмотрен на ряде примеров);

наличие или отсутствие обратных связей - разомкнутые или замкнутые системы.

Классификация по первому признаку в комментариях не нуждается. Ниже будут рассматриваться наиболее часто употребляемые в настоящее время аналоговые СУ. Но уже сейчас намечается nepexoд к более перспективным цифровым системам, и один пример такой СУ также будет показан.

Сущность многоканальной системы управления состоит в том, что каждый вентиль или группа вентилей, входящих в один блок, управляется отдельным каналом (рис. 2). Каждый канал состоит из ФСУ, на вход которого подаются напряжение синхронизации или соответствующей фазы сети и сигнал управления, а также УФ, управляющего „своим" тиристором (группой тиристоров).

Этот способ построения СУ получил большое распространение благодаря простоте построения схемы, унификации ее узлов, примени­мости для многих видов ТП, однако у него есть и серьезные недостатки.

Рис. 2. Многоканальная СУ ТП

Так, любая несимметрия в работе каналов управления приводит к несимметрии управляющих им­пульсов, подаваемых на силовые тиристоры. При этом возникают дополнительные искажения формы выходного сигнала, могут появ­ляться низкочастотные пульсации в кривых выпрямленного напряже­ния в УВ, возможны срывы работы инверторов. Главная причина этих явлений - несинусоидальность напряжения питающей сети, на базе которой формируется сигнал ГОН, а установка защитных входных фильтров требует чрезвычайных мер по согласованию их фазовых характеристик.

Структура одноканальной СУ показана на рис. 3. В эту схему помимо уже известных блоков включен распределитель импульсов РИ. Работа схемы заключается в том, что общий для всех блок ФСУ выра­батывает один и тот же угол управления для всех каналов управле­ния, который подается к соответствующим УФ с помощью распредели­теля импульсов. Последний в простейшем случае представляет собой кольцевой счетчик. Благодаря единому ФСУ достигается очень хоро­шая симметричность управляющих импульсов (расхождение не более 0.5°), намного упрощается настройка схемы, однако достаточно слож­ная схема РИ, особенно для реверсивных ТП, сдерживает ее распро­странение.

Рис. 3. Одноканальная СУ ТП

В настоящее время практически для всех ТП применяется так называемый вертикальный способ управления, на базе которого и по­строены современные системы импульсно-фазового управления (СИФУ). Сущность вертикального метода будет раскрыта при рассмот­рении блока НО.

Рассмотрим основные уз­лы СУ - входное устройство, ГОН, нуль-орган и усили­тель-формирователь.

Входные устройст­ва СУ, как правило, пред­ставляют собой многообмо­точные трансформаторы, в задачу которых входит:

согласование уровня напряжения сети с напряжением схемы управления;

создание m-фазной системы для подачи синхронизирующего напряжения к соответствующим каналам СУ;

формирование в некоторых случаях линейно изменяющегося напряжения.

На рис. 4 изображены схемы таких трансформаторов. Схема 4, а имеет по две вторичные обмотки на каждом стержне и позво­ляет при различных их соединениях (в звезду или зигзаг) получать вторичное напряжение, сдвинутое по отношению к сети на 0, 30, 90, 120°.

Рис. 4. Трансформаторные входные устройства СУТП

Для управления шестифазными схемами можно использовать схему, показанную на рис. 4, б. Она позволяет получать вторичные напряжения, сдвинутые по фазе на 60°. С учетом возможности приме­нения первичной обмотки, соединенной в звезду или треугольник, при помощи этих схем можно обеспечить практически любые фазовые сдвиги.

Генератор опорного (развертывающего) напря­жения предназначается для формирования линейного (или близ­кого к нему) изменяющегося напряжения, синхронизированного с сетью, причем длительность этого сигнала должна соответствовать требуемому диапазону изменения угла регулирования.

Одна из таких схем приведена на рис. 5, а. В ней формирование линейного нарастающего напряжения на конденсаторе С обеспечивает­ся за счет его заряда от внешнего источника питания +Е через большое сопротивление R2, при этом используется близкий к линейному на­чальный участок экспоненты с постоянной времени . Естест­венно, заряд конденсатора происходит в период, когда заперт диод VD3, за счет соответствующих напряжений на обмотках Wa и Wс, что видно из рис. 5, б. На интервале запираниеVD3 осущест­вляется напряжением на обмотке Wa, на интервале - напряже­нием на обмоткеWc. В момент времени напряжение на конденсато­реU0 становится равным напряжению на Wc, диод VD3 открывается и конденсатор разряжается через Wc. При изменении полярности на­пряжения на этой обмотке открывается VD2, что не позволяет напря­жению U0 изменить знак.

Как видно, длительность „пилы" может быть больше и доходит до 220°.

Рис. 5. Генератор „пилы" на диодах

Аналогичная схема приведена на рис. 6. Здесь в качестве ключа используется транзистор, что позволяет резко уменьшить мощ­ность, отбираемую от входного трансформатора, но предельная дли­тельность „пилы" не превышает 180°. В схеме изменением сигнала управления Uу можно изменять момент равенства UГОН и Uy и тем самым с помощью следующего блока - нуль-органа менять угол .

Рис. 6. Генератор опорного напряжения на транзисторе

Эти схемы широко применяются в СУ управляемых выпрямителей и ведомых инверторов. Однако в реверсивных УВ и НПЧ необходимо, чтобы угол регулирования достигал 165 ... 175°. Кроме того, при изме­нении от диапазона 0 ... 90° к диапазону 90 ... 180° знак управляющего сигнала также должен меняться. Иными словами, необходима такая кривая ГОН, в которой при.

Такая схема ГОН (она же - входное устройство) по­казана на рис. 7. Прин­цип ее работы основан на сложении сигналов, снимае­мых с вторичных обмоток трех однофазных трансфор­маторов, включенных в пи­тающую сеть. Как видно из диаграммы, результирую­щая кривая симметрична от­носительно горизонтальной оси, закон изменения вы­ходного напряжения близок к линейному в интервале .

Напряжение управления включается последовательно со схемой ГОН и НО. Естест­венно, можно построить ге­нераторы линейно меняюще­гося напряжения на опера­ционных усилителях.

Рис. 7. Генератор опорного напряжения на трансформаторах

Третье звено СУ - нуль-орган, или компаратор, который служит для формирования сигнала управления тиристора в момент равенства сигналов от ГОН и входного. Схемы НО могут быть выполне­ны на транзисторах, операционных усилителях и других рассмотрен­ных схемах, поэтому их работа здесь не анализируется.

Последним, но очень важным звеном цепочки СУ является усилитель-формирователь. Его основные задачи:

усилить сигнал от НО до уровня, гарантирующего включение тиристора при любом уровне напряжения в его силовой цепи;

обеспечить требуемую форму включающего сигнала;

обеспечить гальваническую развязку СУ от управляющей цепи тиристора, что особенно важно для высоковольтных преобразователей.

Так как сопротивление управляющего р-п-перехода тиристора составляет 15...40 Ом, то напряжение в цепи управления обычно не превышает 8...12 В. Ток управления тиристора (ток управления спрямления) не превышает нескольких ампер даже для мощных тиристоров. Поэтому схемы УФ можно выполнять на сравнительно маломощных полупроводниковых приборах (транзисторах, диодах и даже на ИМС). Следует принимать меры против подачи на УЭ тири­стора отрицательного напряжения более 0.5... 1.0 В, в противном слу­чае тиристор может выйти из строя.

Для четкого отпирания тиристора и надежной работы преобразо­вателя во всех режимах управляющие импульсы должны иметь кру­той передний фронт длительностью до 1 мкс и продолжительность 10...15°, чтобы ток, идущий через тиристор, успел увеличиться до значения тока удержания.

В многофазных ТП, например в УВ по схеме Ларионова, постоянно включены два тиристора - по одному в анодной и катодной группах. Для включения такого ТП при работе его на активную нагрузку в ре­жиме прерывистых токов и некоторых иных режимах на каждый ти­ристор необходимо подавать или два управляющих сигнала со сдви­гом 60°, или один длинный продолжительностью более 60°, или „пач­ку" узких, коротких, которые могут быть получены путем передачи через выходной трансформатор пакета двухполярных импульсов необходимой длительности с последующим их выпрямлением.

Одна из простых схем УФ показана на рис. 8, а. После подачи от НО сигнала на базу транзистора VT он открывается, через первичную обмотку разделительного импульсного трансформатора ИТ проходит ток, на его вторичной обмотке формируется импульсный двуполярный сигнал. Положительная его часть используется для включения тирис­тора, а отрицательная не пропускается диодом VD2 и гасится в RС-контуре. Диод VD1 защищает транзистор от пробоя при запирании, сопро­тивление R3 ограничивает предельный ток VT. Длительность управ­ляющего сигнала на тиристор определяется как входным сигналом, так и качествами ИТ. Если необходимо удлинить управляющий сиг­нал, габариты ИТ увеличивают. При последовательном или парал­лельном соединении нескольких тиристоров в одном плече ТП ИТ может иметь несколько вторичных обмоток с соответствующими RС-цепями.

Рис. 8. Усилители-формиро­ватели на транзисторах

Эта схема удовлетворяет всем основным требованиям управления тиристором, однако более рациональна схема (рис. 8, б), обеспечи­вающая сигнал, форма которого показана на рис. 8, в. В самом нача­ле формируется очень крутой и с большой амплитудой сигнал, форси­рующий процесс включения тиристора, а затем амплитуда управляю­щего сигнала снижается, что предотвращает перегрев соответствующе­го перехода тиристора. Сигнал длится в течение заданного времени, при этом габариты импульсного трансформатора уменьшаются в 2...3 раза.

Схема работает следующим образом. При отсутствии сигнала управления транзистор VT закрыт, конденсатор С заряжен до напряже­ния питания Е через резистор R1, тока через ИТ нет. При подаче вход­ного сигнала (от НО через одновибратор, формирующий заданную дли­тельность сигнала) транзистор отпирается, и через первичную обмотку ИТ проходит ток разряда конденсатора, благодаря чему формируется крутой фронт достаточно большой амплитуды. Затем ток, проходящий через первичную обмотку, ограничивается резистором R1, поэтому уменьшается сигнал и на управляющем электроде тиристора. После прекращения входного сигнала транзистор запирается, конденсатор вновь заряжается до величины Е. Диод VD1 защищает транзистор от пробоя, VD2 не пропускает сигнал отрицательной полярности к тиристору. Необходимая длительность управляющего сигнала опре­деляет габариты ИТ.

Подобные схемы широко применяются для управления тиристора­ми в значительном диапазоне мощностей. Но для управления тири­сторами, рассчитанными на анодный ток свыше 1000 А, транзисторные УФ непригодны, так как для этих целей требуются транзисторы, рас­считанные на большие токи. Тогда используют УФ, выполненные с применением вспомогательных тиристоров (рис. 9).

Рис. 9. УФ с вспомогатель­ным тиристором

При работе ТП любого вида в процессе коммутации тиристорами больших токов во всех цепях возникает высокий уровень помех. Для защиты нагрузки и питающей сети от этих помех используются фильтры. Однако фильтры обеспечивают только снижение уровня помех основных гармоник, но не полное их устранение, тем более ими практически не подавляются высокочастотные помехи. Последние распространяются как по соединительным проводам через паразитные емкости схем, так и через эфир. При наличии в схеме ТП большого количества тиристоров, коммутация которых разнесена во времени, включение одного из них может привести к включению других. Следует отметить, что, чем больше входное сопротивление различных элементов СУ, тем более вероятно их ложное срабатывание под действием помех.

Практически во всех СУ используются импульсные трансформато­ры, одним из главных назначений которых является гальваническое разделение силовой цепи (как правило, высоковольтной) и низко­вольтной цепи схем управления. Однако трансформаторы имеют серьезный недостаток - паразитные емкостные и электромагнитные связи между обмотками, которые снижают помехозащищенность узлов СУ. Поэтому более перспективным представляется применение оптикоэлектронных приборов, при этом решается сразу несколько серьезных проблем. Во-первых, обеспечивается (как и с применением ИТ) гальваническая развязка между силовыми цепями и цепями уп­равления. Во-вторых, снимается проблема формирования сигналов управления тиристоров относительно большой длительности. В-ретьих, резко увеличивается помехозащищенность СУ, так как в случае применения оптических световодов можно разнести в пространстве СУ и силовые уз­лы ТП. И, наконец, отсутствие индуктивностей позволяет осуществить формирова­ние крутых фронтов сигналов, благодаря чему можно сократить разброс параметров в цепях синхронизации и снизить уровень помех и уравнительных токов.

Одна из простейших СУ с примене­нием оптронного формирователя приведе­на на рис. 10. При подаче управляющего сигнала от предыдущего каскада на свето-диод СД он излучает световой поток либо непосредственно на фотодинистор ФТ (размещенный в одном с ним корпусе), либо через световод. Фотодинистор включается, ток проходит сначала через конденсатор С и далее через R3 и R2. На R3 создается падение напряжения с положительным потенциалом, приложенным к управляющему переходу силового тиристора, и последний отпирается, По мере заряда конденсатора С ток в цепи уменьшается, так как в нее включено допол­нительное сопротивление R1. Если R1 достаточно велико, то фотодинистор может выключаться, и схема приходит в исходное состояние.

Рис. 10. УФ с оптроном

Цифровые схемы управления.

В настоящее время все большее распространение получают цифровые схемы управления тиристорными преобразователями (ЦСУ ТП). Это связано, во-первых, с широким применением цифровых и логических устройств на ИМС для измерения, контроля различных объектов и управления ими. Во-вторых, в цифро­вых устройствах отсутствуют погрешности, вызванные дрейфом пара­метров элементов. В-третьих, ЦСУ ТП легко могут быть сопряжены с цифровыми ЭВМ (микропроцессорными системами), все чаще исполь­зуемыми в технике.

ЦСУ ТП работают на тех же принципах, что и аналоговые, и вклю­чают такие же по назначению узлы (ГОН, НО), но выполненные на дис­кретных элементах.

На рис. 11 приведена структурная схема простейшей ЦСУ ТП, работающей по „вертикальному" принципу. В этой схеме аналоговые сигналы заменены кодами. Так, линейно изменяющийся сигнал ГОН здесь заменен мультивибратором G и счетчиком СТ. При работе G состояние счетчика с каждым входным сигналом уменьшается на еди­ницу. Если счетчик четырехразрядный, то в исходном состоянии на его выходе имеется код 1111, который последовательно меняется до 0000.

Рис. 11. Цифровая СУ ТП

Этот код подается поразрядно на цифровую схему сравнения ЦСС -аналог нуль-органа. На другие входы ЦСС подается код управляюще­го сигнала Ку.

В тот момент, когда оба кода сравниваются, ЦСС формирует на своем выходе сигнал, который через усилитель-формирователь УФ включает тиристор. Если исходное состояние счетчика устанавливает­ся схемой синхронизации СХ в момент естественной коммутации силового тиристора, а частота мультивибратора выбрана таким обра­зом, что заполнение, точнее опорожнение, счетчика происходит за половину периода, то момент равенства кодов отстоит от исходного момента на интервал времени, равный углу регулирования . Таким образом, частота мультивибратора должна быть выбрана так, чтобы за полпериода сетевого напряжения проходило 2n импульсов, где п - число разрядов счетчика:

.

Иначе говоря, частота мультивибратора должна быть, в строго определенное число раз больше частоты сети. Если последняя несколь­ко меняется, что характерно для судовых условий, то используют либо генератор переменной частоты с корректирующей обратной связью, либо схемы умножения частоты.

Если на выходе ЦСС поставить кольцевой m-разрядный счетчик с дополнительным входом от младших разрядов основного счетчика, то можно сразу получить сигналы на m-фазную систему управления силовыми тиристорами.

Несмотря на большое сходство ЦСУ с аналоговыми схемами, они имеют и ряд существенных различий. Так в цифровых СУ угол регули­рования может принимать только 2n значений, например при п=4 он может иметь только 16 значений, каждое из которых будет отличаться от смежных на 11.25° (180°/16), т.е. дискретность составляет 6%. Для более плавного регулирования необходимо увеличивать п (при п=8, дискретность составит 4%), но это ведет к росту аппаратурных затрат. Возникают также дополнительные трудности при создании схемы мультивибратора, стабильная частота которого во много раз больше частоты сети.

Цифровые системы управления целесообразно применять там, где имеют место заметные искажения формы кривой питающего напряже­ния и неравномерная нагрузка фаз, так как синхронизирующий сигнал получается только от одной фазы. Они также наиболее приемлемы для одноканальных СУ.