3577

лении, с помощью реакторов L01- L04 существенно большой индуктивности, что вызывает часто недопустимые падения напряжения.

При раздельном управлении тиристорные группы работают поочередно и надобность в реакторах отпадает.

Режим работы каждой группы связывают с полярностью формируемой полуволны напряжения Uн(1) и направлением тока iн. Как и в реверсивном преобразователе, здесь также осуществляют задержку (блокировку) в подаче отпирающих импульсов на тиристоры вступающие в работу группы, что необходимо для исключения короткого замыкания вторичных обмоток трансформатора через тиристоры обоих групп. Так, например, после того как тиристорная группа I проработала с начала в режиме выпрямления, а затем на интервале π-ω2t2 (рис.3.8,а)-в режиме инвертирования, управляющие импульсы в момент времени ω2t2 снимаются с тиристоров группы I (используется сигнал датчика тока, определяющего момент снижения тока iн. до нуля или тока тиристора).

К проводившим тиристорам этой группы прикладывается напряжение в обратном направлении, требуемом для выключения, под действием вторичных напряжений сетевого трансформатора.

Подачу управляющих импульсов к тиристорам II группы осуществляют с некоторой задержкой относительно момента ω2t2, гарантирующей завершение процесса восстановления запирающих свойств ранее проводивших тиристоров группы I.

Согласованность режима раздельного управления тиристорными группами при формировании кривой выходного напряжения НПЧ обусловливается связью углов управления α1 и α2 в соответствии с соотношением α1+αII=180˚ или равенства α1=βII и αII=β1. Возможный диапазон изменения α1 и α2 при формировании кривой выходного напряжения без учета углов γ и δ близок к 180˚.

Определим основные соотношения, связывающие закон изменения во времени углов управления α и форму кривой выходного напряжения.

Из теории выпрямителей известна зависимость среднего напряжения от угла управления α: Ud=Ud0cosα. Если пренебречь пульсирующей составляющей и рассчитывать напряжение Uвых (Uн) по кривой изменения среднего значения тиристорной группы I, то приведенное соотношение в несколько измененном виде определит зависимость выходного напряжения НПЧ от характера изменения угла α.

где Uнмакс.0-максимальное выходное напряжение, соответствующее углу α1=0(для трехфазной мостовой схемы Uнмакс.0=2,34Е2);

α1(t)-периодическая функция изменения во времени угла α1.

Закон изменения α1(t) для НПЧ с синусоидальным выходным напряжением и амплитудой Uнмакс.0(без учета пульсирующей составляющей)

часть полуволны напряжения Uн положительной полярности для первой группы вентилей α изменяется в пределах от 90˚ до0, а угол αII - от 90˚ до 180˚, что соответствует режиму выпрямления тиристорной группы I и режиму инвертирования группы II.

В течение второй четверти периода (нисходящая часть) режим работы сохраняется, но при этом он связан с увеличением углов αI от 0˚ до90˚ и уменьшением углов αII от 180˚ до 90˚.

Половина напряжения Uн отрицательной полярности формируется аналогичным образом. Теперь тиристорная группа I работает в режиме инвертирования при изменении угла αI от 90˚ до 180˚ и затем снова до 90˚, а тиристорная группа II –в режиме выпрямления с диапазоном изменения углов от 90˚до 0˚ и затем вновь до 90˚.

Уменьшение коэффициента ξ= Uнмакс/Uнмакс.0 позволяет осуществлять регулирование амплитуды выходного напряжения преобразователя. Построенные по выражениям (3.53) и (3.54) кривые изменения во времени углов αI и αII при ξ=0,9 и 0,4 приведены на рис. 3.8,б.

Коммутация тока в НПЧ рассматриваемого типа осуществляется, так же как в выпрямителях и ведомых инверторах, под действием напряжения питающей сети. Поэтому минимальные значения углов α и β не должны быть меньше суммы угла коммутации γ и угла δмин.=2πf1tв восстановления управляющих свойств тиристоров.

4. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Система управления (СУ), обеспечивающая подачу импульсов на вентили преобразователя любого типа, совместно с преобразователем

решает комплекс задач, связанных с формированием и регулированием его выходного напряжения.

В силу того, что СУ осуществляют регулирование фазы управляющих импульсов, их называют системами импульсно-фазового управления (СИФУ).

4.1. Характеристики цепей управления тиристорами

Для включения тиристора требуется достаточный ток и напряжение источника управления, соответствующие входным статическим и динамическим характеристикам тиристора.

Входные вольтамперные характеристики управляющего перехода тиристора зависят от типа тиристора, температуры полупроводниковой структуры. В пределах одного и того же типа тиристора характеристики существенно отличаются от экземпляра к экземпляру из-за особенностей технологии изготовления (рис.4.1).

Рис. 4.1. Характеристика цепей управления тиристорами а – вольтамперные характеристики; б – эквивалентная схема

Заводы-изготовители тиристоров в своих справочных материалах обычно приводят статистические данные, ограничивая поле разброса параметров входными вольтамперными характеристиками с максимальным Rвх max и минимальным Rвыхmin выходным сопротивлением. В области I гарантированного включения не происходит, так как ток управления меньше тока спрямления для некоторых тиристоров рассматриваемой се-

рии. Область II ограничена снизу линиями U уст A и I уст A , определяе-

мыми напряжением и током спрямления при минимальной рабочей температуре окружающей среды. С увеличением температуры эти линии смещаются вниз. Сверху область II ограничена гиперболой – геометрическим местом точек максимальной мощности управления P1max , макси-

линия нагрузки цепи управления с максимальными значениями напряже-

ром, управляемый зарядом, поэтому с уменьшением длительности управляющего импульса его амплитуда должна быть увеличена. Предельные значения импульсной мощности смещаются вниз при уве-

личении длительности протекания тока управления. В справочных материалах о тиристорах приводится семейство кривых максимально допустимой мощности управляющего импульса. Заводы – изготовители тиристоров в справочных материалах указывают также минимальные значения параметров сигнала управления, не приводящие к включению тиристора (так называемый неотпирающий ток и неотпирающее напряжение). Эти параметры характеризуют степень устойчивости тиристорной схемы к помехам, всегда имеющим место в реальных устройствах.

Влияние длительности переднего фронта импульса управления iф

сказывается в той степени, в какой она соизмерима с длительностью нарастания анодного тока. При недостаточной крутизне фронта импульса и большой крутизне нарастания анодного тока площадь области начального включения тиристора будет мала и тиристор может выйти из строя.

Требования стабильности, взаимозаменяемости тиристорных схем приводят к необходимости использования режима источника тока формирователя импульсов управления по отношению к выходу тиристора. В этом случае форма и ток управления практически не зависят от величины

ихарактера входного сопротивления тиристора.

Вотличии от режима источника тока режим источника напряжения на входе тиристора не может обеспечить высокой повторяемости параметров эксплуатации и надежности тиристорной схемы. При этом режиме параметры импульса управления определяются входным сопротивлением тиристора, которое имеет значительный разброс и нестабильность. Фор-

мирователи импульсов управления, работающие в режиме источников напряжения, требуют индивидуальной наладки при смене тиристора.

На практике оказывается, что для создания режима, близкого к режиму генератора тока на выходе, достаточно последовательно с управляющим электродом тиристора включить резистор , сопротивление которого в 3-5 раз превышает максимальное входное сопротивление тиристора.

В тиристорных схемах потенциал силовых цепей относительно земли значительно выше потенциала цепей управления . Для упрощения конструкции и обеспечения безопасности обслуживания сигнал управления на управляющий электрод тиристора подается через импульсный трансформатор или применяются оптронные тиристоры.

4.2. Назначение и основные требования, предъявляемые к системам управления выпрямителями

Система управления выпрямителем предназначена для генерирования управляющих тиристорами импульсов, формирование их по длительности, амплитуде и форм, распределение их по тиристорам и изменения фазы импульсов относительно фазы напряжения питающей сети. Основные требования к системе управления:

1.Достаточная для надежного отпирания тиристров амплитуда напряжения и тока управляющего импульса (10-20 В, 20-2000 мА).

2.Высокая крутизна фронта управляющих импульсов (до 10 В/мкс).

3.Широкий диапазон регулирования угла управления (от 15-20 эл.град.

до 160-165эл.град).

4.Симметрия управляющих импульсов по фазам.

Врезультате несимметрии управляющих импульсов тиристоры многофазного выпрямителя проводят ток разное время, что обуславливает искажение формы кривых анодных токов и неравенство средних значений токов тиристоров. В кривых выпрямленного напряжения появляется переменная составляющая низкой частоты, что отрицательно влияет на работу потребителя. Кроме того, неравенство средних значений токов тиристоров приводит к тому, что в магнитной системе силового трансформатора появляются нескомпенсированные магнитодвижущие силы. По этим причинам несимметрия управляющих импульсов не должна превышать 1.5-2.5 эл.град.

Требование к длительности управляющих тиристорами импульсов зависит от схемы выпрямителя и характера нагрузки. С целью уменьшения мощности, выделяющейся в управляющем p-n переходе тиристора, а

также мощности системы управления целесообразно иметь более узкий управляющий импульс. Длительность этого импульса должна быть такой , чтобы за время его действия анодный ток тиристора достиг значения тока удержания. Очевидно, что скорость нарастания анодного тока будет зависеть от постоянной времени цепи нагрузки и от мгновенного напряжения на включаемых тиристорах. Наиболее неблагоприятные условия для запуска имеют место при работе выпрямителя на обмотку возбуждения электрических машин, представляющие активно-индуктивную нагрузку с большой постоянной времени. Если известны параметры выпрямителя, нагрузка и ток удержания iуд. данного типа тиристора, то дли-

тельность управляющего импульса tи может быть рассчитана как время нарастания тока id до тока удержания. Обычно расчет выполняют при Е=0.

Временные диаграммы управляющих тиристорами импульсов для типовых схем выпрямления приведены на рис.4.2-4.4.

Рис. 4.2. Временные диаграммы управляющих импульсов в однофазной мостовой схеме

Рис. 4.3. Временные диаграммы управляющих импульсов

в трехфазной нулевой схеме

Рис. 4.4. Временные диаграммы управляющих импульсов

втрехфазной мостовой схеме

Всвязи с тем, что в трехфазном мостовом выпрямителе моменты времени отпирания тиристоров катодной и анодной группы сдвинуты во времени на 1/6 часть периода, напряжения питания, пуск, а также работа выпрямителя в режиме прерывистого тока, где он включается как бы впервые (на нулевой ток цепи нагрузки), возможны или при длительности управляющего импульса больше / 3 , или при подаче на управляющий электрод последовательно двух коротких импульсов, сдвинутых взаимно

на 3 . Во втором случае мощность системы управления существенно меньше, чем при применении длинных импульсов

4.3. Системы импульсно-фазового управления (СИФУ)

Cистемы управления, в которых управляющий сигнал имеет форму импульса, фазу которого можно регулировать, называют импульснофазовыми.

Системы импульсно-фазового управления по способу синхронизации делятся на два основных класса – синхронные СИФУ и асинхронные СИФУ. При синхронном импульсно-фазовом управлении угол подачи управляемого импульса отсчитывают от определенной фазы напряжения сети, питающей выпрямитель

где t1 - угол подачи первого управляющего импульса;

- угол начала отсчета, соответствующий моменту естественного отпирания; 1 - регулируемый угол управления.

Синхронное управление в настоящее время является общепринятым и наиболее распространенным.

При асинхронном импульсно-фазовом управлении угол подачи управляющего импульса отсчитывают от момента подачи предыдущего импульса

Из сравнения выражений (4.1) и (4.2) видно, что угол подачи управляющего импульса в асинхронной системе управления не связан в явном виде с координатами t и напряжения сети, т.е. не синхронизирован с сетью питания.

В зависимости от способа получения сдвига управляющих импульсов различают системы, построенные по горизонтальным и вертикальным принципам управления.

При горизонтальном принципе сдвиг управляющих импульсов осуществляется путем изменения фазы входного синхронизирующего сигнала , обычно синусоиды напряжения входной сети, а затем из него формируются прямоугольные импульсы. Горизонтальный принцип, вследствие присущих ему недостатков (зависимость от формы и частоты питающего напряжения), не нашел широкого применения.

При вертикальном принципе управления (рис.4.5) напряжение управления сравнивается с опорным переменным напряжением (синусоидальным, пилообразным и т.д.). В момент времени, когда эти напряжения становятся равными и их разность изменяет полярность, происходит формирование импульса. Фазу импульса можно регулировать, изменяя величину постоянного напряжения управления.

Система управления однофазным мостовым выпрямителем (см. рис. 4.2, 4.3 и 4.6) работает следующим образом. Генератор пилообразного напряжения (ГПН) запускается при поступлении с синхронизатора (С) напряжения в момент появления на тиристорах прямого напряжения, т. е. в точках естественной коммутации. С выхода ГПН напряжение пилообразной формы U п поступает на устройство сравнения (УС), где оно срав-

нивается с напряжением управляющего органа U у о . В момент равенства пилообразного напряжения и напряжения управляющего органа устройство сравнения вырабатывает импульс U у с , который через распредели-

тель импульсов (РИ) поступает на формирователь импульсов ФИ1 или ФИ2 и дальше через выходные каскады ВК1 или ВК2-на тиристоры выпрямителя.

В одноканальных многофазных СИФУ генератор переменого напряжения работает с частотой в m раз больше частоты питающей сети, что требует в дальнейшем распределения управляющих импульсов по m каналам. Одноканальная СИФУ (рис.4.6) для трехфазного нулевого или полууправляемого мостового выпрямителя работает следующим образом. Генератор пилообразного напряжения ГПН запускается в момент появления на тиристорах прямого напряжения, т.е. в точках естественного отпирания. Запуск ГПН обеспечивается синхронизатором С. С выхода ГПН пилообразное напряжение U п подается на пороговое устройство (ПУ), которое срабатывает при достижении пилообразным напряжением порогового значения U пор .

Рис. 4.5,б. Функциональная схема СИФУ для однофазного мостового выпрямителя

Напряжение с выхода ПУ через дифференцирующую цепь (ДЦ) поступает на схемы совпадения (СС), куда подается соответствующий импульс с синхронизатора. При совпадении импульсов с выхода синхронизатора и дифференцирующей цепи один из выходных каскадов (ВК) вырабатывает управляющий импульс на отпирание тиристора соответствующей фазы. Фазовый сдвиг управляющего импульса осуществляется путем изменения наклона пилообразного напряжения ГПН с помощью управляемого стабилизатора тока (УСТ). Система управления обеспечи-

Благодаря общему фазосдвигающему устройству одноканальные системы управления обладают высокой симметрией управляющих импульсов. Несимметрия определяется только точностью синхронизации системы управления с питающей сетью и не превышает 0.5 эл. град. Кроме того, одноканальная система проста в настройке, поскольку не требует создания нескольких идентичных каналов. К недостаткам одноканальных синхронных систем управления следует отнести сложность синхронизации с сетью, так как необходимо формировать одноканальную последовательность кратной частоты.