УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ N ПАРАМИ ВСТРЕЧНО-ПАРАЛЛЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ ТИРИСТОРОВ

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и предназначена для коммутации цепей напряжения переменного тока с использованием в качестве силовых элементов пар встречно и параллельно включенных тиристоров или симисторов, и может быть использована в стабилизаторах и преобразователях напряжения переменного тока, в устройствах регулирования температуры и компенсаторах реактивной мощности.
Известно устройство для управления двумя встречно-параллельно соединенными тиристорами [1], включенными последовательно в цепь нагрузки, содержащее управляющий ключевой элемент, первый вывод которого соединен с анодом первого диода, первую цепочку, выполненную в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, вторую цепочку, выполненную в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, первый вывод которого предназначен для подключения к первым силовым выводам тиристоров, первый и второй резисторы и второй диод, а так же токоограничительный элемент и третий и четвертый диоды, аноды которых соединены с первым выводом токоограничительного элемента, второй вывод которого соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, вторые выводы которых соединены с катодами третьего и четвертого диодов соответственно и первыми выводами первой и второй цепочек соответственно, причем первый вывод первой цепочки предназначен для подключения к вторым силовым выводам тиристоров, для подключения к управляющим электродам которых предназначены катоды первого и второго диодов, аноды которых соединены с первым выводом управляющего ключевого элемента, второй вывод которого соединен с вторыми выводами первой и второй цепочек и вторым выводом токоограничительного элемента.
Недостатками данного устройства являются отсутствие микропроцессорного управления и отсутствие гальванической развязки между сигналами управления и силовыми ключами.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство управления n парами встречно-параллельно соединенных тиристоров [2], состоящее из микропроцессора, генератора высокой частоты, n усилительных блоков, каждый из которых содержит последовательно соединенные управляемый транзисторный усилитель, имеющий первый и второй входы, высокочастотный трансформатор с двумя вторичными обмотками и выпрямитель, имеющий два изолированных выхода для гальванической развязки и обеспечения требуемого тока в управляющих электродах тиристоров, при этом первый вход каждого управляемого усилителя подключен к выходу генератора высокой частоты, а второй вход этого усилителя подключен к выходу-входу микропроцессора, по программе которого подается сигнал на входы управляемых транзисторных усилителей, обеспечивая управление работой всего устройства и работой каждой пары встречно-параллельно соединенных тиристоров.
Недостатками данного устройства является низкая надежность и технологичность. Это связано с тем, что мощность тока управления обычно выбирается из условия надежного отпирания тиристора в холодном состоянии, и в данном устройстве фиксирована значением выходного напряжения выпрямителя и величиной балластных резисторов и обеспечивается подбором коэффициента трансформации, создавая технологические затруднения в производстве, и в дальнейшем не изменяются. Тиристор же в процессе работы нагревается, и управляющие импульсы избыточной мощности могут привести к перегреву управляющего перехода тиристора и снижению его надежности.
Кроме того, влияния на ток управления входных динамических характеристик тиристора, их технологический разброс и значительная температурная зависимость повышает вероятность отказа (не включения тиристора или выхода его из строя в результате перегрева управляющей области его структуры) устройства при определенных условиях эксплуатации.
Эти недостатки ограничивают возможности использования известного устройства во многих силовых системах управления и регулирования на транспорте, в строительстве и приборостроении, которые эксплуатируются в широком диапазоне температуры окружающей среды.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение надежности, технологичности и расширения температурного диапазона работы и областей применения устройства.
Для решения поставленной задачи предложено устройство управления n парами встречно-параллельно соединенных тиристоров, содержащее микропроцессор, генератор высокой частоты, и n усилительных блоков, каждый из которых включает последовательно соединенные управляемый усилитель, имеющий первый и второй входы, высокочастотный трансформатор с двумя вторичными обмотками и выпрямитель, имеющий два изолированных выхода, и n пар встречно-параллельно соединенных тиристоров, при этом первый вход каждого управляемого усилителя подключен к выходу генератора высокой частоты, а их вторые входы подключены к соответствующим выходам микропроцессора.
В отличие от прототипа в устройство дополнительно введены n формирователей тока управления, каждый из которых содержит первый и второй регуляторы тока, причем входы каждого формирователя тока управления подключены к соответствующим выходам выпрямителя соответствующего усилительного блока, а выходы этих формирователей тока управления подключены к входам соответствующих пар управляемых тиристоров.
Кроме того, каждый регулятор тока содержит делитель напряжения, генератор тока и датчик температуры, при чем первый вход делителя напряжения соединен с первым входом генератора тока, выход делителя напряжения подключен к второму входу генератора тока, датчик температуры подключен между выходом делителя напряжения и его вторым входом, при этом входы делителя напряжения являются входом регулятора тока, выход регулятора тока и второй вход делителя напряжения являются выходом регулятора тока, а датчик температуры каждого регулятора тока имеет непосредственный тепловой контакт с соответствующим тиристором управляемой пары.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что благодаря дополнению каждого усилительного блока формирователем тока управления, включающего два регулятора тока, каждый из которых содержит делитель напряжения, генератор тока и датчик температуры, и их взаимодействием с остальными элементами устройства обеспечивается оптимальный уровень тока управления тиристоров в широком диапазоне температур и практически устраняется влияние на ток управления входных характеристик тиристора, их технологического разброса и температурной нестабильности, что существенно снижает вероятность отказа (не включения тиристора или выход его из строя в результате перегрева управляющей области его структуры) устройства при его работе даже в жестких условиях эксплуатации.
Кроме того, использование делителя и генератора тока с перестраиваемыми параметрами позволяет легко устанавливать оптимальные токи управления, как для каждого тиристора, так и для других классов тиристоров, что повышает технологичность устройства.
Указанные достоинства обеспечивают возможности использования предложенного устройства в силовых системах управления и регулирования железнодорожного транспорта, строительства и приборостроения.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 - изображена функциональная схема устройства управления n парами встречно-параллельно соединенных тиристоров, на фиг. 2 - изображена функциональная схема регулятора тока, а на фиг. 3 - одна из технических реализаций генератора тока.
1
n
1
n
l
n
l
n
1
n
l
n
l
n
1
n
l
n
1
n
l…
n
l
n
l
n
l
n
l
n
l
n
1
n
Устройство управления n парами встречно-параллельно соединенных тиристоров состоит из микропроцессора 1, генератора высокой частоты 2, и n усилительных блоков 3…3, каждый из которых включает последовательно соединенные управляемый усилитель 4…4, высокочастотный трансформатор 5…5, служащий для гальванической развязки, и выпрямитель 6…6, имеющий два выхода, а так же формирователь тока управления 7…7, включающего первый 8…8 и второй 9…9 регуляторы тока, и n пар встречно-параллельно соединенных тиристоров 10…10, входы которых подключены к соответствующим выходам формирователей тока управления 7…7, входы которых подключены к соответствующим выходам усилительных блоков 3…3. Каждый регулятор тока содержит (см. фиг. 2.) делитель напряжения 11, генератор тока 12 и датчик температуры 13, при чем первый вход делителя напряжения 11 соединен с первым входом генератора тока 12, выход делителя напряжения 11 подключен к второму входу генератора тока 12, датчик температуры 13 подключен между выходом делителя напряжения 11 и его вторым входом, при этом входы делителя напряжения 11 являются входом регулятора тока, выход генератора тока и второй вход делителя напряжения являются выходом регулятора тока, а датчик температуры 13 каждого регулятора тока имеет непосредственный тепловой контакт с соответствующим тиристором управляемой пары 1010. При этом входы первого 8…8 и второго 9…9 регуляторов тока являются первым и вторым входами формирователей тока управления 7…7, а выходы первого 8…8 и второго 9…9 регуляторов тока являются первым и вторым выходами формирователей тока управления 7…7.
В качестве делителя напряжения можно использовать два последовательно соединенные резистора, качестве датчика температуры можно использовать теморезистор, генератор тока может быть технически реализован, например, по известной схеме, представленной на фиг.3 на основе операционного усилителя DA, резистора R и полевого транзистора, VT, затвор которого соединен с выходом операционного усилителя DA, инвертирующий вход которого одновременно подключен к одному из выводов резистора R и истоку полевого транзистора VT, сток которого является выходом генератора тока, другой вывод резистора R является первым входом генератора тока, а неинвертирующий вход операционного усилителя DA является вторым входом генератора тока. В данной схеме управление выходным током, который не зависит от нагрузки, обеспечивается изменением напряжения на неинвертирующем входе операционного усилителя DA или изменением номинала резистора R.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
l
n
1
n
l
n
1
n
1
n
l
n
l
n
1
n
1
n
l
n
Выход генератора высокой частоты 2 выдает прямоугольные импульсы на первые входы усилительных блоков 3…3 и, соответственно, первые входы управляемых усилителей 4…4. Включение управляемых усилителей 4…4 производится подачей на их вторые входы логической «1» с соответствующих выходов микропроцессора 1 по программе, заложенной в микропроцессоре 1. Выходной сигнал генератора высокой частоты 2 усиливается включенным управляемым усилителем 4…4 и через высокочастотный трансформатор 5…5, служащий для гальванической развязки и имеющий две вторичные обмотки, поступает на выпрямитель 6…6, формирующий на обоих изолированных выходах импульсы постоянного напряжения, длительность которых задается длительностью управляющих импульсов микропроцессора 1. Эти импульсы поступают на соответствующие входы формирователей тока управления 7…7, и, следовательно, на входы первого 8…8 и второго 9…9 регуляторов тока, которые формируют токи для управления тиристорных пар 10…10следующим образом.
l
n
l
n
1
n
1
n
l
n
При появлении напряжения на входе любого (8…8 и второго 9…9) регулятора тока его делитель напряжения 11 (см. фиг. 2) вырабатывает выходной сигнал, уровень которого корректируется датчиком температуры 13 с учетом текущей температуры корпуса тиристора управляемой n-ой пары встречно-параллельно соединенных тиристоров 10…10, и которое поступает на второй вход генератора тока 12. В результате на выходе генератора тока 12 формируется ток управления, не зависящий от входных характеристик тиристора и оптимальный для данного тиристора управляемой n-ой пары встречно-параллельно соединенных тиристоров 10…10 и его текущей рабочей температуры. Таким образом предложенное устройство обеспечивает управление и работу любого тиристора из n пар встречно-параллельно соединенных тиристоров 10…10 в оптимальном токовом режиме не зависимо от текущей рабочей температуры его корпуса и его индивидуальных параметров и их технологического разброса и температурной нестабильности, что существенно снижает вероятность отказа устройства при его работе даже в жестких условиях эксплуатации.
Кроме того, использование делителя и генератора тока с перестраиваемыми параметрами позволяет легко устанавливать оптимальные токи управления, как для каждого тиристора, так и для других классов тиристоров, что повышает технологичность устройства.
Указанные достоинства обеспечивают возможности использования предложенного устройства в стабилизаторах и преобразователях напряжения переменного тока, в устройствах регулирования температуры и компенсаторах реактивной мощности элекротехнических систем управления и регулирования железнодорожного транспорта, строительства и приборостроения, которые эксплуатируются в жестких климатических условиях.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Российская Федерация, патент на изобретение №2010411, МПК: Н02М 1/08, 1994 г.
2. Российская Федерация, патент на полезную модель №94085, МПК: Н02М 1/08, 2009 г. - прототип.