Устройство для формирования импульсов управления диодно-тиристорным мостом

Полезная модель устройства для формирования импульсов управления трехфазным диодно-тиристорным мостом относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использована для включения тиристоров при переводе диодно-тиристорного моста в диодный режим.
Известны устройства преобразования переменного напряжения в постоянное, в которых наиболее рационально применять диодно-тиристорные мосты, а функции управления выходным напряжением изменением угла открывания тиристоров не используются.
Наиболее типичным примером такого применения может служить широко распространенная схема входного выпрямителя для двухзвенного преобразователя частоты [1], состоящая из входного диодного силового моста и отдельной цепи, включающей дополнительные слаботочные диоды, слаботочное реле и резистор, ограничивающий зарядный ток. При подаче сетевого напряжения на вход преобразователя для исключения ударных токов через мост выпрямителя предварительный заряд конденсаторов фильтра производится через эту отдельную цепь.
После плавного заряда конденсаторов до некоторого достаточно близкого к максимальному напряжения можно включить тиристоры диодно-тиристорного моста. Очевидно, что в данном применении функция управления выходным напряжением не нужна и диодно-тиристорный мост будет работать в режиме диодного моста с естественными коммутациями.
Такое решение позволяет отказаться от применения ненадежного и объемного силового контактора для питания инвертора, а также позволяет быстро отключить выпрямитель от фильтра звена постоянного тока при авариях, закрыв все тиристоры диодно-тиристорного моста. Стоимость диодно-тиристорных модулей превышает стоимость диодных модулей приблизительно на 10%, поэтому применение такого решения вполне обосновано.
В последнее время в схемах преобразователей частоты обычно не используется нулевой провод входной сети, поэтому система импульсно-фазового управления (СИФУ), вырабатывающая управляющие импульсы для включения тиристоров, должна использовать только линейные входные напряжения.
Наибольшее распространение получили СИФУ с вертикальным управлением [2], содержащие генератор опорного напряжения, выполненный обычно с применением развязывающих трансформаторов, нуль-орган и формирователь импульсов.
При вертикальном принципе управления угол отпирания тиристоров определяется моментом равенства опорного напряжения, в качестве которого чаще всего выбирают пилообразные импульсы, синхронизированные с переходами через ноль напряжений входной сети, и напряжения управления, заданного регулятором. Эти СИФУ выполнены на элементах аналоговой схемотехники и активно используются в разнообразных преобразователях.
К недостаткам таких СИФУ можно отнести достаточно громоздкие схемы, применение дорогих и нетехнологичных трансформаторов для гальванической развязки и синхронизации с сетью, нестабильность аналоговых каскадов, требования подстройки элементов, необходимость применения комплектующих с точными номиналами.
Задача предлагаемой полезной модели - упрощение схемы управления тиристорами, исключение развязывающего трансформатора для синхронизации с сетевыми напряжениями при отсутствии нулевого провода, повышение надежности работы формирователей открывающих импульсов для тиристоров, отсутствие требований к точности комплектующих - решается с помощью устройства для формирования импульсов управления трехфазным диодно-тиристорным мостом, содержащего три оптопары синхронизации с линейными сетевыми напряжениями, управляющую оптопару, формирователи высокочастотных импульсов, три моста на МОСФЕТ-транзисторах и конденсаторах, три высокочастотных развязывающих трансформатора и три выпрямителя, подающих открывающие импульсы на тиристоры, при этом для синхронизации с сетью используются три цепочки с оптопарами, подключенными к линейным напряжениям сети без нейтрального провода и развязывающего трансформатора, а оптоприемники оптопар запускают три генератора высокочастотных прямоугольных импульсов, которые усиливаются мостами, выполненными на полевых транзисторах, и через трансформаторы передаются на формирователи для управления тиристорами, причем на управляющих электродах тиристоров формируются широкие импульсы, позволяющие надежно переводить диодно-тиристорный мост в нужный момент в диодный режим с естественными коммутациями..
На Фиг. 1 показана предлагаемая схема, содержащая три оптопары синхронизации с линейными сетевыми напряжениями (светодиоды 5, 7 и 9 и оптоприемники соответственно 11, 12 и 13), управляющую оптопару 4, формирователи высокочастотных импульсов 14, 15 и 16, три моста на МОСФЕТ-транзисторах 17 и 18, 19 и 20, 21 и 22, три развязывающих трансформатора с первичными обмотками 23, 24 и 25 и вторичными обмотками соответственно 32, 33 и 34 и три выпрямителя 35, 36 и 37, подающих открывающие импульсы на тиристоры.
Входные линейные напряжения L1, L2 и L3 поступают на звезду, состоящую из резисторов 1, 2 и 3 и свето диодов оптопар 6, 8 и 10. Видно, что для работы этих цепей не нужен нулевой провод входной сети, что является преимуществом такой схемы. Параллельно светодиодам передатчиков оптопар установлены обычные светодиоды для контроля наличия сетевых напряжений.
Транзисторы оптоприемников оптопар 11, 12 и 13 открываются и запускают формирователи импульсов 14, 15 и 16. Эти формирователи вырабатывают высокочастотные меандры и подают управление на полумосты, состоящие из полевых транзисторов 17 и 18, 19 и 20, 21 и 22.
Полумосты работают в парах из конденсаторов 26 и 27, 28 и 29, 30 и 31, а нагрузкой этих мостов являются первичные обмотки трансформаторов 23, 24 и 25. Вторичные обмотки развязывающих трансформаторов 32, 33 и 34 нагружены на схемы формирователей импульсов управления 35, 35 и 37, которые преобразуют модулированное переменное напряжение в импульсы постоянного тока, поступающие на управляющие электроды тиристоров.
Питание на приемники синхронизирующих оптопар 11, 12 и 13 подается еще одной оптопарой 4, включение которой разрешает передачу синхроимпульсов и работу формирователей импульсов, при этом первым откроется тиристор, на котором создались условия для включения. Далее тиристоры будут включаться по очереди, и мост будет работать в режиме диодного моста с естественными коммутациями.
Резисторы, с которых снимается управляющее напряжение на запуск генераторов импульсов, зашунтированы конденсаторами для повышения помехоустойчивости запуска генераторов.
Трансформаторы работают на высокой частоте, могут быть выполнены на малогабаритных сердечниках и служат для гальванической развязки системы управления и силовой схемы. Светодиоды 6, 8 и 10 сигнализируют о правильной работе схемы.
Временная диаграмма работы схемы приведена на Фиг. 2. На верхней диаграмме показаны входные линейные напряжения, поступающие на входы L1, L2 и L3, а на нижних - очередность импульсов, синхронных с напряжениями входной сети, запускающих формирователи импульсов, подаваемых на тиристоры. Видно, что импульсы управления занимают 180 эл.град. при положительных значениях линейного напряжения каждой фазы, поэтому к моменту, когда на тиристоре возникнут условия для включения, к его управляющему электроду уже будет приложено отпирающее напряжение.
Например, при работе диодного моста на чисто активную нагрузку интервал проводимости каждого диода начинается через 30 эл.град. от момента пересечения линейным напряжением нуля, а весь интервал проводимости занимает 120 эл.град..
При работе диодно-тиристорного моста и чисто активной нагрузки предлагаемая схема сформирует отпирающее напряжение за 30 эл.град. до момента естественной коммутации, что гарантирует включение соответствующего тиристора в нужный момент.
Источники информации:
1. IGBT Modules Technologies, Driver and Application/ Andreas Volke, Michael Hornkamp, Published by Infineon Technologies AG, Second Edition, 2012.
2. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями/ Е.Н. Зимин, В.Л. Кацевич, С.К. Козырев. - М.: Энергоиздат, 1981 - 192 с.ил..