книги из ГПНТБ / Анисимов Я.Ф. Особенности применения полупроводниковых преобразователей в судовых электроустановках

Глава 2

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМИ ТИРИСТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

§ 2.1. Принципы построения систем фазового управления преобразователями

Для обеспечения работы тиристорного преобразователя не­ обходимо включать вентили в определенные моменты вре­ мени. С этой целью по цепи управляющий электрод — ка­

тод пропускается некоторый ток, называемый током управления, в результате чего тиристор переходит в открытое состояние.

Ток управления может представлять собой постоянный сигнал или импульсы различной длительности и амплитуды. Для управле­ ния тиристорами чаще всего используются импульсные сигналы. Меняя фазу импульсов относительно определенной точки синусои­ дального напряжения сети, можно изменять угол включения тири­ сторов и тем самым регулировать напряжение или ток на выходе выпрямителей (см. рис. 1.6). Изменением фазы управляющих им­ пульсов достигается регулирование среднего значения тока и в за­ висимых инверторах.

Для выработки управляющих импульсов, распределения их по управляющим электродам тиристоров, а также для изменения фазы при подаче на электроды служат системы фазового управле­ ния (СФУ), являющиеся основным узлом системы управления пре­ образователем. Отметим, что в автономных инверторах изменение фазы импульсов, подаваемых на тиристоры инверторного моста, не приводит к регулированию напряжения (за исключением некото­ рых схем), поэтому использование данного понятия целесообразно только для выпрямителей, зависимых инверторов, непосредствен­ ных преобразователей частоты и коммутаторов.

Требования, предъявляемые к системам фазового управления, определяются указанными ниже характеристиками тиристоров и режимом работы преобразователя:

1. Н а п р я ж е н и е и т о к у п р а в л я ю щ и х и м п у л ь с о в . Для обеспечения четкого включения тиристоров управляющие им­ пульсы должны обладать определенной мощностью. Требуемые значения амплитуд напряжения и тока импульсов приводятся в паспортных данных тиристоров. Следует отметить, что значения напряжений и токов, необходимые для открывания вентилей одного и того же типа, имеют значительный разброс. Поэтому при недо­ статочной мощности импульсов могут наблюдаться пропуски вклю­ чения тиристоров; в то же время чрезмерная мощность импульсов приводит к неоправданному росту потерь в управляющем р — л-пе- реходе, а также к увеличению габаритов системы управления. Для большинства наиболее распространенных типов тиристоров требуе-

30

мая амплитуда напряжения импульсов составляет 5—15 В, ампли­ туда тока — 0,5—2 А.

2. Д л и т е л ь н о с т ь и м п у л ь с о в . Длительность импульсов не должна быть меньше времени нарастания анодного тока тири­ сторов до значения, превосходящего значение удерживающего тока. Время нарастания тока определяется не только собственным вре­ менем включения тиристоров, но и типом преобразователя и харак­ тером нагрузки. Возрастание же длительности импульсов нежела­ тельно из-за увеличения потерь в управляющем переходе тири­ стора. Обычно минимальная длительность управляющих импульсов составляет 15—20 мкс (для надежного управления тиристорами длительность должна быть в пределах 100 мкс).

В некоторых схемах к длительности импульсов предъявляются дополнительные требования, обусловленные необходимостью обес­ печения запуска преобразователя и его работы в режиме преры­ вистых токов. Так, в трехфазной мостовой симметричной схеме длительность импульсов должна составлять не менее 60°. Однако в подобных случаях прибегают к сдваиванию узких импульсов.

3. К р у т и з н а и м п у л ь с о в . Четкое включение тиристоров в заданные моменты времени может быть достигнуто только при высокой крутизне переднего фронта управляющих импульсов. Су­ ществующие системы управления (особенно полупроводниковые)

является малая мощность управления, т. е. мощность сигнала, по­ даваемого на вход СФУ. При малой мощности легче получить большее быстродействие, создать простые и надежные замкнутые системы.

5. С и м м е т р и я и м п у л ь с о в . Из-за наличия в схеме преоб­ разования различного рода несимметрии происходит нарушение заданной периодичности управляющих импульсов, что влечет за собой разброс углов включения тиристоров. В настоящее время требование симметрии управляющих импульсов в определенных пределах общепринято.

При параллельном соединении тиристоров в одном плече на­ блюдается неодновременное включение их из-за рассогласования управляющих импульсов. Подобное явление приводит к неравно­ мерному токораспределению между параллельно работающими вентилями и может вызвать выход из строя некоторых из них.

лирования соответствует преобразователям, которые работают и в выпрямительном и инверторном режимах. Так, в преобразователе

В многофазных преобразователях, работающих только в выпрями­ тельном режиме, но с глубоким регулированием, например, в агре­ гатах типа ВАКЭП-140-70ПВ этот диапазон составляет 90—120°.

31

Более широкий диапазон свойствен однофазным и трехфазным мо­ стовым несимметричным схемам (до 180° только в выпрямитель­ ном режиме). Наименьший диапазон регулирования требуется для преобразователей, работающих в режиме стабилизации напряже­ ния, к которым относятся, например, агрегаты типа ВАКС.

механизмов, например лебедок и кранов. От быстродействия СФУ существенно зависит время перехода преобразователя из выпря­ мительного режима в инверторный. Допустимая инерция системы управления равна примерно 0,01 с [68]. Необходимо отметить, что быстродействие разработанных систем управления в подавляю­ щем большинстве случаев достаточно для всех групп судовых по­ требителей.

8. Н а д е ж н о с т ь . Ряд судовых потребителей нуждается в бес­ перебойном электроснабжении. Для таких потребителей требова­ ние высокой надежности системы управления преобразователем становится важнейшим. Однако для других потребителей этот фак­ тор играет меньшую роль, что и необходимо соответствующим об­ разом учитывать при проектировании системы управления.

Системы управления тиристорными преобразователями выпол­ няются на базе электромагнитных (магнитные усилители, импульс­ ные трансформаторы и т. д.) и полупроводниковых (транзисторы, маломощные тиристоры) элементов.

Электромагнитные системы достаточно просты и надежны, но стоимость их выше, чем полупроводниковых. Системам этого типа свойственны инерционность, меньшие крутизна переднего фронта импульсов и диапазон регулирования угла включения, большая мощность управления. В силу указанных недостатков электромаг­ нитные системы не нашли широкого применения в схемах управле­ ния тиристорами.

В схемах управления тиристорными преобразователями глав­ ным образом применяются полупроводниковые системы. С по­ мощью транзисторов удается достаточно просто и легко создать любой узел системы фазового управления. Маломощные тиристоры обычно используются в качестве усилителей импульсов в системах управления мощными преобразователями. В зарубежной прак­ тике получили широкое распространение двухбазовые диоды (однопереходные транзисторы), позволяющие упростить ряд схем. Ос­ новными достоинствами полупроводниковых систем управления являются: высокое быстродействие и надежность, малая мощность управления, высокие показатели управляющих импульсов, малые габариты и масса.

Находят применение также магнитополупроводниковые системы управления, сочетающие свойства рассмотренных выше систем. Использование их особенно целесообразно в замкнутых системах, ввиду возможности суммирования сигналов при гальванически развязанных входных цепях, а также в преобразователях, от кото­ рых не требуется высокого быстродействия. Магнитополупровод-

32

никовые системы служат для управления судовыми преобразова­ тельными устройствами типа АСП, предназначенными для питания устройства катодной защиты корпуса судна. В таких установках инерционность не играет никакой роли.

Системы управления тиристорными преобразователями могут быть выполнены по «горизонтальному» или «вертикальному» прин­ ципу.

В первом случае с целью регулирования угла а осуществляется сдвиг подаваемой в СФУ синусоиды напряжения сети по «горизон­ тали» относительно соответствующей синусоиды, поступающей в силовую часть. Затем в СФУ из сдвинутой синусоиды форми­

чина выходного напряжения фазовращателя U2, т. е. напряжения, прикладываемого к конденсаторам С2, СЗ, включенным парал­ лельно первичным обмоткам импульсных трансформаторов Трі и Тр2, не изменяется, но происходит сдвиг синусоиды данного на­ пряжения по фазе. Диаграмма показывает положение векторов

Использование «горизонтального» принципа управления свя­ зано с применением электромагнитных элементов. Полупроводнико­ вые системы выполняются по «вертикальному» принципу, который и получил наибольшее распространение. На рис. 2.2, а приведена блок-схема канала системы, работающей по данному принципу.

33

Схема состоит из фазосдвигающего (ФСУ) и импульсного (ИУ) устройств и включает наиболее характерные звенья: синхрониза­

В узел сравнения УС поступают два противоположно направ­

S)

и

\

(рис. 2.2,б), который передается на соответствующий тиристор. Из­ меняя величину Uy, можно регулировать фазу управляющих им­ пульсов, т. е. угол включения а. В качестве напряжения иа в про­ стейшем случае может быть использовано трансформированное со­

пазон регулирования не превышает 140—150°. Кроме того, система управления становится крайне чувствительной к колебаниям и ис­ кажениям формы напряжений в сети. В силу этого в схемах управ­ ления судовыми преобразователями данный способ получения на­ пряжения ып не применяется.

Использование пилообразного напряжения позволяет достичь широкого диапазона регулирования. Такое напряжение может

34

быть получено различными способами [46, 69]. Один из них со­ стоит в том, что пилообразное напряжение формируется из полу­ волн напряжений сети. Поскольку в этом случае сохраняется зави­ симость системы управления от состояния сети, данный способ в судовых преобразователях также не применяется. Наиболее ши­ рокое распространение в различных вариантах нашел способ, осно­ ванный на явлении заряда или разряда конденсатора. Это отно­ сится и к большинству систем управления судовыми преобразо­ вателями.

В многофазных схемах число каналов СФУ соответствует фазности преобразователя. Работа каждого канала синхронизируется с соответствующей фазой напряжения сети, для чего СФУ содер­ жит специальный узел — синхронизатор С, наиболее распростра­ ненная и простая схема которого — трансформатор. Для обеспе­ чения симметрии работы системы управления узел введения сиг­ нала L'y выполняется общим для всех каналов. Схемы узлов сравнения приведены в [69]. В качестве генератора импульсов ГИ широко применяются транзисторные блокинг-генераторы. В мало­ мощных схемах блокинг-генератор одновременно может служить и выходным устройством. В мощных преобразователях в качестве выходных каскадов обычно используются усилители на маломощ­ ных тиристорах. Для гальванического отделения системы управле­ ния от силовой части управляющие импульсы на силовые тири­ сторы в большинстве случаев подаются через многообмоточные импульсные трансформаторы.

Разработано большое количество схем, работающих на основе рассмотренных принципов. Представляют также интерес схемы с комбинированным управлением, т. е. схемы, сочетающие прин­ ципы «горизонтального» и «вертикального» управления.

В СФУ, работающих по «вертикальному» принципу, эта связь осу­ ществляется через узел синхронизации. Любое нарушение или из­ менение режима сети передается через синхронизатор в генератор ГПН и в зависимости от структуры система фазового управления соответствующим образом реагирует на состояние сети. Как ука­ зывалось выше, СФУ оказывается особенно чувствительной к из­ менениям в питающей сети, если в качестве напряжений ия ис­ пользуются напряжения последней. В этом случае несимметрия на­ пряжений сети вызывает изменение амплитуд и фазовых сдвигов напряжений ип по отдельным каналам, что может привести к недо­ пустимому разбросу углов включения. В наибольшей степени дан­ ное явление наблюдается при коротких замыканиях в сети. В уста­ новках соизмеримой мощности чрезмерное увеличение разброса углов включения может быть вызвано искажением формы питаю­ щих напряжений.

При конденсаторном формировании пилообразных напряжений, наиболее распространенном в СФУ судовых преобразовательных устройств, несимметрия или искажения напряжений сети не влияют

35

на амплитуды напряжений «п , но могут нарушить сдвиг этих на­ пряжений по каналам. В установках соизмеримой мощности при­ менение систем, использующих данный принцип генерирования, становится затруднительным.

Системы управления автономными инверторами имеют ряд от­ личий по сравнению с СФУ выпрямителей. Одно из основных от­ личий заключается в том, что в инверторах управляющие им­ пульсы создаются независимыми генераторами, не связанными с сетью.

§ 2.2. Магнитополупроводниковые системы фазового управления

Магнитополупроводниковые СФУ использованы в системе управ­ ления преобразователями типа АСП (рис. 2.3). Функции фазосдвигающего устройства выполняют магнитные усилители МУ с само-

Рис. 2.3. Схема канала СФУ преобразователя типа АСП.

насыщением. Магнитные усилители преобразуют сигнал, поступаю­ щий в обмотку управления с выхода измерительного блока, в фазу импульсов, подаваемых затем на силовые тиристоры. Магнитные усилители выполняются на сердечниках из материала с прямо­ угольной петлей гистерезиса. Регулирование фазы импульсов про­

36

прикладывается к каждой рабочей обмотке (ОР1 и ОР2) только в течение одного полупериода. При наличии тока в обмотке ОУ наблюдаются процессы размагничивания и намагничивания сер­ дечников МУ, при этом часть полуволны напряжения «а і затрачи­ вается на намагничивание соответствующего сердечника, а осталь­ ная часть прикладывается к нагрузке. Нагрузкой МУ в данной схеме служат обмотки W1 пик-трансформаторов Тр5 и Трб и огра­ ничительные сопротивления R7, R8. Форма напряжения в одной из обмоток W1 (заштрихованная часть) иллюстрируется рис. 2.4. Чем выше магнитные свойства сердечника, тем круче фронт нараста­ ния напряжения, прикладываемого к обмоткам W1.

Пик-трансформаторы служат для формирования импульсов дли­ тельностью 100—150 мкс, предназначенных для запуска транзи­

питаются постоянным током и предназначены для размагничива­ ния сердечников, обусловленного тем, что на первичные обмотки подаются однополярные импульсы. Обмотки W3 используются для защиты преобразователя. При срабатывании защиты в эти обмотки подается постоянный ток, возбуждающий магнитное поле (проти­ воположное по направлению полю рабочего тока и значительно превышающее его по величине), в результате чего прекращается подача запускающих импульсов на блокинг-генераторы.

Блокинг-генераторы, собранные на основе транзисторов 77, Т2, предназначены для формирования мощных прямоугольных им­ пульсов (мощность импульсов — 40 Вт, напряжение импульса — 20 В), подаваемых на силовые тиристоры. Применение транзистор­ ных блокинг-генераторов обусловлено тем, что мощность импульсов пик-трансформаторов недостаточна для надежного включения ти­ ристоров, кроме того, амплитуда этих импульсов меняется с изме­ нением фазы.

Блокинг-генераторы выполняются по схеме с общим эмиттером, которая в отличие от схемы с общей базой позволяет получить лучшую форму генерируемых импульсов (меньшая длительность переднего фронта, форма импульсов приближается к прямоуголь-

37

нон), хотя последняя более стабильна при изменении параметров транзистора. Блокинг-генератор в СФУ работает в ждущем ре­ жиме. Для обеспечения этого режима в рассматриваемую схему введен узел запирающего потенциала, основу которого составляют другая вторичная обмотка трансформатора, питающего рабочие обмотки МУ (а2), выпрямительный диод (D7) и і?С-фильтр (R21, С7, С8). Положительное напряжение, подаваемое с помощью дан­ ного узла на базы транзисторов, должно составлять десятые доли вольта (в данном случае 0,8 В).

Длительность формируемых импульсов зависит от емкости кон­ денсатора С в цепи базы (например, С5 для блокинг-генератора первого канала) и может быть определена по приближенной фор­ муле

вой для расчета емкости С, при этом должно быть соблюдено усло­

Длительность фронта и среза импульсов определяется инер­ ционными свойствами транзисторов, но существенно зависит и от индуктивности рассеяния обмоток выходного трансформатора (Тр7, Тр8). При заданных нагрузке и параметрах транзистора крутизна фронта.может быть увеличена путем правильного вы­ бора коэффициента трансформации между коллекторной (WJ) и базовой (W2) обмотками выходного импульсного трансформатора. Оптимальное по длительности фронта значение коэффициента трансформации составляет

он равен единице.

Материал сердечников импульсных трансформаторов должен обладать высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями. В достаточной степени этим требованиям отвечает пермаллой, из которого и изготавливаются магнитопроводы данных трансформа­ торов. В целях снижения индуктивности сердечники имеют торои­ дальную форму. Плотность тока в обмотках импульсных трансфор­ маторов занижается по сравнению со значениями, допустимыми по условиям нагрева. Сечение проводов обмоток выбирается исходя из возможностей размещения их на выбранном сердечнике. Такой подход обусловлен большими импульсными значениями токов и поверхностным эффектом, сопровождающим быстрое нарастание тока в обмотках.

38

В силу малой величины напряжения источника питания цепи

Транзистор и напряжение источника питания выбираются по за­ данной амплитуде и длительности фронта импульсов. При этом не­ обходимо учитывать, что работа блокинг-генератора характерна послеимпульсными перенапряжениями на обмотках трансформа­ тора, которые значительно увеличивают напряжение на коллекторе запертого транзистора, создавая опасность его пробоя. Для устра­ нения перенапряжений включают диод (D3, D4) параллельно кол­ лекторной обмотке. Во время формирования рабочего импульса диод заперт и не влияет на работу блокинг-генератора.

В коллекторную и базовую цепи обычно включаются ограничи­ тельные сопротивления, снижающие зависимость временных пара­ метров импульсов от параметров транзистора и напряжения источ­ ника питания. Коллекторное сопротивление, величина которого выбирается в пределах 100—150 Ом, кроме того, ограничивает кол­ лекторный ток и облегчает тепловой режим транзистора. Величина базового сопротивления определяется мощностью запускающих импульсов. Ограничивающее сопротивление (R17, R18) включается также в цепь выходной обмотки. В выходную цепь включается и диод (D5, D6) для шунтирования обратного импульса, генери­ руемого в момент запирания транзистора.

Более подробно работа блокинг-генератора и его расчет изло­ жены в [69].

Диапазон регулирования в подобных схемах составляет 150— 160°.

В заключение отметим, что СФУ, работающие по «горизонталь­ ному» принципу с использованием свойств магнитных сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса, более устойчивы к воздей­ ствию помех, что определяет их перспективность для ряда преоб­ разовательных устройств.

§ 2.3. Полупроводниковые системы фазового управления

Во всех рассматриваемых ниже схемах полупроводниковых СФУ судовых выпрямительных агрегатов принцип работы фазосдвигающих устройств основан на заряде и разряде конденсатора.

39