УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫМИ ТИРИСТОРАМИ
DEVICE TO CONTROL SERIALLY CONNECTED THYRISTORS

Заявляемое изобретение относится к электротехнике, а именно к силовым высоковольтным преобразователям, и предназначено для использования в устройствах быстродействующего тиристорного автоматического ввода резервного источника питания (АВР), устройствах плавного пуска асинхронных и синхронных электродвигателей с напряжением 6; 10 и более кВ.
Известно значительное количество устройств, предназначенных для управления группы последовательно включенных тиристоров (см., например, US 3502910, US 3530387, US 3596168, US 3662248, US 3938026, US 4535400, GB 1177677, GB 1192418).
Недостатками известных устройств являются сложность конструкции, большие габариты и стоимость импульсных трансформаторов.
Известно устройство для управления последовательно включенными тиристорами, используемое в устройствах плавного пуска электродвигателей серии УБПВД - С (см. каталог «Электроприводная техника» АБС Холдингс, сентябрь 2008 г.), содержащее группу последовательно включенных тиристоров, к управляющим выводам которых подключены выходы драйверов управления тиристорами. Каждый из драйверов управления тиристорами содержит импульсный трансформатор с сердечником со вторичной обмоткой, подключенной ко входам выпрямителей, выходы которых соединены со входами устройства формирования управляющих импульсов. Выходы устройств формирования управляющих импульсов являются выходами драйверов управления тиристорами. Управление драйверами выполняется от устройства управления, а питание драйверов осуществляется через единую первичную обмотку импульсных трансформаторов, выполненную в виде токовой петли, проходящей внутри сердечников импульсных трансформаторов и подключенной выводами к генератору импульсов. Передача управляющих команд из устройства управления в драйверы и получение обратных сообщений об их состоянии выполняется по оптоволоконным кабелям.
Ток высокой частоты от генератора импульсов поступает в первичную обмотку импульсных трансформаторов, напряжение с обмотки выпрямляется выпрямителями, поступает в устройство формирования управляющих импульсов для питания радиоэлектронных элементов устройства и управления тиристорами. Устройство содержит стабилизаторы напряжений, поступающих с выпрямителей (напряжение E1 - для формирования форсированных импульсов управления, напряжение Е2 - для формирования поддерживающих импульсов управления), электронную схему формирования амплитуды и длительности форсированных и поддерживающих (основных) импульсов управления, электронную схему связи с устройством управления, силовые ключи, через которые подаются на тиристоры форсированные или поддерживающие импульсы управления. По команде из устройства на включение тиристоров устройство формирования управляющих импульсов выдает на тиристоры форсированные, а затем поддерживающие импульсы управления. Назад в устройство управления оно сообщает об исправности источников питания и элементов устройства.
К недостаткам аналога следует отнести: большие габариты импульсных трансформаторов и драйверов управления тиристорами, сложность и высокая стоимость устройства; недостаточная надежность, обусловленная использованием большого количества элементов, что снижает надежность устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению, взятым в качестве прототипа является устройство для управления последовательно включенными тиристорами (заявитель «MITSUBISHI ELECTRIC CORP», US 3950693 опубликовано 13.04.1976 г.), содержащее группу тиристоров, к управляющим выводам которых подключены выходы блоков импульсных трансформаторов, количество которых равно количеству тиристоров, каждый из блоков импульсных трансформаторов содержит импульсный трансформатор с сердечником, выпрямитель, входы которого соединены с выводами вторичной обмотки импульсного трансформатора, выходы выпрямителя являются выходами блоков импульсных трансформаторов, содержащих единую первичную обмотку импульсных трансформаторов, выполненную в виде токовой петли и предназначенную для подключения к источнику управляющих импульсов.
Две первичные обмотки импульсных трансформаторов прототипа выполнены в виде токовых петель (два проводника в высоковольтной изоляции проходят через внутреннее окно). Первая токовая петля предназначена для подключения к источнику форсирующих импульсов управления тиристорами. Вторая токовая петля предназначена для подключения к источнику поддерживающих (номинальных) импульсов управления тиристорами.
Для одновременного включения тиристоров вначале на них подают короткие форсированные импульсы управления заданной амплитуды и формы тока. Затем эти импульсы прекращают и сразу подают во вторую токовую петлю импульсы управления номинальной величины. На выходе выпрямителей импульсы управления выпрямляются, образуя непрерывные поддерживающие импульсы управления тиристорами.
Недостатками прототипа являются:
- недостаточная надежность устройства, обусловленная наличием повышенного уровня помех, проникающих из высоковольтной цепи в низковольтную цепь, и значительной величиной проходной емкости между высоковольтной и низковольтной цепями;
- сложность конструкции, повышенные габариты и стоимость импульсных трансформаторов, обусловленные тем, что для изоляции цепей управления от высоковольтных цепей тиристоров токовые петли выполняют высоковольтным проводом с толстой изоляцией.
Особенно велики помехи в моменты включения тиристоров в соседних фазах преобразователя. В эти моменты к тиристорам и импульсным трансформаторам невключенной фазы (невключенного плеча преобразователя) напряжение прикладывается скачком, вызывая скачки тока через изоляцию импульсных трансформаторов. Это может привести к сбою в работе источников форсирующих и поддерживающих импульсов управления тиристорами, формированию ложных импульсов управления, ложному открыванию тиристоров и повреждению преобразователя. Величина и длительность помех определяются в основном величиной проходной емкости между высоковольтной и низковольтной цепями импульсных трансформаторов. Сердечник импульсного трансформатора и проводник токовой петли образуют конденсатор, подобный цилиндрическому конденсатору.
Емкостное сопротивление этого конденсатора определяется преимущественно длиной сердечника вдоль токовой петли, толщиной и диэлектрической проницаемостью диэлектрика высоковольтного проводника.
2
1
1
µ
1
2
2
Для включения тиристора необходимо подавать на его управляющий переход напряжение необходимого уровня и ток заданной величины и длительности. Величина указанного напряжения и тока связаны с параметрами импульсного трансформатора известными формулами Um=4,4BFSW, IW-IW=IW=HL.
1
µ
2
2
1
2
1
1
Здесь I, I, I - соответственно первичный ток, ток намагничивания и вторичный ток трансформатора (ток I является одновременно током управления тиристором с рекомендованной величиной до 5А). W, W - число витков в обмотках трансформатора. S, В - сечение и магнитная проницаемость сердечника, F - частота импульсов в трансформаторе. Н, L - напряженность магнитного поля и длина средней магнитной линии сердечника. Из анализа формул следует, что при W=1 и разумной величине тока I (не более 10А) получаем низкие значения параметров В и Н. Значение частоты F также ограничено, т.к. токовая петля первичных обмоток представляет собой значительное индуктивное сопротивление и с ростом частоты импульсов на ней падает значительное напряжение, приводя к усложнению источника управляющих импульсов и к снижению кпд устройства.
Из вышесказанного следует, что рациональным путем для получения требуемых значений напряжения и тока управления последовательно включенными тиристорами является выбор сердечников импульсных трансформаторов со значительными габаритными размерами. Так и сделано у всех изготовителей высоковольтных преобразователей с последовательно включенными тиристорами и одновитковой токовой петлей.
Технический результат заявляемого изобретения - повышение надежности устройства управления последовательно включенными тиристорами, упрощение конструкции и уменьшение размеров импульсных трансформаторов.
Достигается технический результат тем, что в устройстве для управления последовательно включенными тиристорами, содержащем группу тиристоров, к управляющим выводам которых подключены выходы блоков импульсных трансформаторов, количество которых равно количеству тиристоров, каждый из блоков импульсных трансформаторов содержит импульсный трансформатор с сердечником, выпрямитель, входы которого соединены с выводами вторичной обмотки импульсного трансформатора, выходы выпрямителя являются выходами блоков импульсных трансформаторов, содержащих единую первичную обмотку импульсных трансформаторов, выполненную в виде токовой петли и предназначенную для подключения к источнику управляющих импульсов, единая первичная обмотка импульсных трансформаторов выполнена в виде m проводников с низковольтной изоляцией, размещенных во введенной изоляционной трубке, проходящей внутри сердечников импульсных трансформаторов, число витков вторичных обмоток импульсных трансформаторов увеличено в m раз, а сечение сердечников импульсных трансформаторов уменьшено в m раз. Все проводники единой первичной обмотки импульсных трансформаторов соединены между собой, по меньшей мере, согласно последовательной схеме.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что благодаря тому, что единая первичная обмотка импульсных трансформаторов выполнена в виде нескольких проводников с низковольтной изоляцией, размещенных во введенной изоляционной трубке, проходящей внутри сердечников импульсных трансформаторов, число витков вторичных обмоток импульсных трансформаторов увеличено в m раз, а сечение сердечников импульсных трансформаторов уменьшено в m раз и все проводники первичной обмотки импульсных трансформаторов соединены между собой, по меньшей мере, согласно последовательной схеме, упрощается конструкция устройства, увеличивается напряженность магнитного поля сердечников импульсных трансформаторов уменьшаются габариты импульсных трансформаторов, повышается надежность устройства.
На фиг.1 изображена схема устройства для управления последовательно включенными тиристорами, на фиг.2 приведена диаграмма тока на управляющем электроде тиристоров, где приняты следующие обозначения:
1 - тиристоры;
2 - блоки импульсных трансформаторов;
3 - импульсные трансформаторы с сердечниками;
4 - выпрямители;
5 - изоляционная трубка;
W1 - единая первичная обмотка импульсных трансформаторов;
W2 - вторичные обмотки импульсного трансформатора;
А, Б - выводы для подключения к источнику управляющих импульсов.
Устройство для управления последовательно включенными тиристорами содержит группу последовательно включенных тиристоров 1, к управляющим выводам которых подключены выходы блоков импульсных трансформаторов 2. Каждый из блоков импульсных трансформаторов 2 содержит импульсный трансформатор с сердечником 3 со вторичной обмоткой W2, подключенной ко входам выпрямителя 4, выполненного по одно- или двухполупериодной схеме. Выходы выпрямителя 4 являются выходами блока импульсного трансформатора 2.
Единая первичная обмотка импульсных трансформаторов W1 предназначена для подключения к источнику управляющих импульсов, выполнена в виде токовой петли из m проводников с низковольтной изоляцией, размещенных в изоляционной трубке 5, проходящей внутри сердечников импульсных трансформаторов 3, число витков вторичных обмоток импульсных трансформаторов W2 увеличено m раз, а сечение сердечников импульсных трансформаторов 3 уменьшено в m раз. Все проводники единой первичной обмотки импульсных трансформаторов W1 соединены между собой, по меньшей мере, согласно последовательной схеме.
Устройство работает следующим образом.
Форсированные, а затем и поддерживающие управляющие импульсы поступают на тиристоры 1 через блоки импульсных трансформаторов 2 от внешнего источника управляющих импульсов. В моменты прерывания управляющих импульсов энергия, накопленная в импульсных трансформаторах с сердечниками 3, передается через выпрямители 4 на управляющие выводы тиристоров 1. Это позволяет максимально эффективно использовать энергию, поданную на импульсные трансформаторы с сердечниками 3. Следует заметить, что из-за увеличения в m раз числа витков в единой первичной обмотке импульсных трансформаторов W1 возросла в m раз напряженность магнитного поля в сердечнике. Кроме того, напряженность магнитного поля в сердечнике дополнительно возросла из-за уменьшения длины средней магнитной линии сердечника. Это позволило не только существенно уменьшить сечение сердечников импульсных трансформаторов 3 и их проходную емкость относительно токовой петли, но и увеличить крутизну фронта управляющих импульсов на выходе импульсных трансформаторов с сердечниками 3, что повышает надежность управления последовательно включенными тиристорами.
Таким образом, благодаря тому, что единая первичная обмотка импульсных трансформаторов выполнена из m проводников в низковольтной изоляции, размещенных в изоляционной трубке, проходящей внутри сердечников импульсных трансформаторов, удалось существенно уменьшить габариты импульсных трансформаторов, их проходную емкость относительно токовой петли, увеличить крутизну фронта управляющих импульсов на выходе импульсных трансформаторов, что повышает надежность управления последовательно включенными тиристорами.
Значение числа m выбирается из практических соображений с учетом номенклатуры стандартных тороидальных ферритовых колец, диэлектрических свойств введенной изоляционной трубки. Рациональным числом для разных преобразователей автор считает m=2…10.
Уменьшение габаритных размеров импульсных трансформаторов очень актуально для устройств, к которым предъявляются повышенные требования по минимизации габаритных размеров силового тиристорного блока. Например, такие требования возникают при выполнении трехфазного силового тиристорного блока в габаритах вакуумного выключателя для его установки в стандартное КРУ 6-10 кВ (комплектное распределительное устройство). На опытном образце заявляемого устройства сечение сердечника импульсных трансформаторов снижено в 5 раз, а величина емкостных токов, проникающих из высоковольтной цепи в устройство для управления тиристорами (величина помех), уменьшилась почти в 4 раза.
Заявляемое устройство успешно прошло всесторонние испытания и предполагается его внедрение в производство с 2011 г.