Устройство для управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя
DEVICE FOR CONTROL OF THREE-PHASE BRIDGE RECTIFIER THYRISTORS

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для управления силовыми тиристорами преобразователей, и в частности трехфазных управляемых мостовых выпрямителей, применяемых для регулирования выпрямленного напряжения в транспортной технике. Целью регулирования выпрямленного напряжения трехфазного мостового выпрямителя с помощью данного устройства является стабилизация величины выходного выпрямленного напряжения выпрямителя в зависимости от изменения величины амплитуды и частоты входного напряжения выпрямителя, поступающего от источника трехфазного напряжения переменного тока.
Существующие устройства для управления тиристорами трехфазных выпрямителей, питающиеся от источника трехфазного напряжения переменного тока, позволяют управлять моментом открытия тиристоров с целью регулирования величины выпрямленного напряжения выпрямителя, подаваемого для питания нагрузки. Однако задача стабилизации величины выпрямленного напряжения выпрямителя путем ее регулирования требует расширения функциональных возможностей устройства для управления тиристорами в направлении введения обратных связей по слежению за изменениями величины амплитуды и частоты напряжения трехфазного источника переменного тока.
Известно устройство для управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя [Авторское свидетельство СССР №1365298, кл. Η02Μ 7/12, 1985, опубл. 07.01.1988, бюл. №1], содержащее три канала управления по числу фаз А, В, С.Каждый канал состоит из двух блоков управления. Один блок управления относится к анодной, а другой к катодной группе выпрямителя. В каждом блоке находятся узел синхронизации, формирователь пилообразного напряжения, узел сравнения и узел выходного фототиристора оптрона. Узел синхронизации включает в себя токоограничительный резистор и двухсторонний стабилитрон, первый вывод которого соединен с общим нулевым проводом сети, а второй через токоограничительный резистор подсоединен к соответствующей фазе А, В, С переменного напряжения сети. В результате, образуется источник знакопеременных трапецеидальных импульсов. Формирователь пилообразного напряжения включает в себя два фазосмещающих устройства, выполненных на транзисторах противоположного типа проводимости, две пары накопительных конденсаторов и шесть разделительных диодов. Узел сравнения включает в себя двухбазовый диод и два резистора. Узел выходного фототиристора включает в себя фототиристор, который управляется с помощью светодиода, образуя тем самым оптопару. Параллельно светодиоду присоединен резистор, падение напряжение которого от протекания по нему тока, включает фототиристор оптопары.
1
1
1
Работа устройства для управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя заключается в следующем. В каждом канале управления фаз А, В, С с помощью узла синхронизации синусоидальное напряжение ограничивается двухсторонним стабилитроном по своему максимуму и преобразуется в последовательность знакопеременных трапецеидальных импульсов. Напряжение этих импульсов используется для заряда накопительных конденсаторов и управления коммутирующими транзисторами формирователя пилообразного напряжения. Эти транзисторы задают очередность процесса разряда накопительных конденсаторов, с помощью которых формируется пилообразное напряжение. Далее, сформированное пилообразное напряжение сравнивается с постоянным напряжением, а их разность поступает на эмиттер двухбазового диода. В момент времени, когда разность постоянного и пилообразного напряжений достигает порога переключения двухбазового диода, происходит его включение. В результате включения двухбазового диода на резисторе, присоединенного параллельно светодиоду оптопары, формируется импульс напряжения, включающий светодиод соответствующей оптопары, а значить и открывание его фототиристора. Светодиоды подключены к накопительным конденсаторам через общий токоограничительный резистор. При равенстве емкостей накопительных конденсаторов при их разряде обеспечивается одинаковая необходимая длительность светового импульса для включения в каждом полупериоде напряжения сети соответствующего фототиристора оптопары. В результате включения фототиристоров формируются управляющие импульсы напряжения для открытия силовых тиристоров выпрямителя. Поскольку процессы разряда накопительных конденсаторов в каналах управления фаз А, В, С протекают синхронно с последовательностью фаз трехфазного напряжения, на выходах каналов управления формируются импульсы, сдвинутые в каждой фазе относительно друг друга на 180 град. Исходя из особенностей работы трехфазного симметричного мостового выпрямителя, в котором моменты отпирания тиристоров анодной и катодной групп должны повторно производиться через 60 эл. град., управляющие импульсы положительных полуволн фаз А, В, С и отрицательных полуволн фаз А, В, С поступают на тиристоры выпрямителя в виде сдвоенных управляющих импульсов, следующих с фазовым сдвигом в 60 эл. град.
Регулирование фазы управляющих импульсов относительно фазы анодного напряжения тиристоров выпрямителя достигается изменением времени разряда накопительных конденсаторов посредством изменения сопротивления дополнительных транзисторов - эмиттерных повторителей. В свою очередь изменение сопротивления этих эмиттерных повторителей осуществляется изменением тока фазы, поступающего с резистора с регулируемым переменным сопротивлением. Диапазон регулирования угла включения силовых тиристоров выпрямителя приблизительно равен 180 эл. град.
Достоинством данного устройства является то, что в нем расширена область его использования за счет формирования в каждом канале управления двух сдвинутых на угол 180 эл. град., выходных импульсов, образующих в результате сложения с импульсами других каналов управления шестифазную систему сдвоенных управляющих импульсов, следующих с фазовым сдвигом в 60 эл. град. Недостатком данного устройства является большая сложность его построения с большим количеством элементов и узлов, что снижает надежность работы устройства. Вторым недостатком является отсутствие возможности стабилизации выпрямленного напряжения выпрямителя путем регулирования фазы управляющих импульсов при изменении величин амплитуды и частоты напряжения источника трехфазного переменного тока.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является устройство для управления тиристорами [Авторское свидетельство СССР №754600, кл. Η02Μ 1/08, Η02Ρ 13/16, 1978, опубл. 07.08.1980, бюл. №29], содержащее два транзистора, подключенных базами и коллекторами через резисторы нагрузки к одному, а эмиттерами к другому выводам источника питания постоянного тока. База-эмиттерные переходы транзисторов зашунтированы цепочками из двух последовательно включенных диодов, к точкам соединения которых между собой подключены выводы синхронизирующего напряжения переменного тока преобразователя. Между базами транзисторов включены последовательно соединенные конденсаторы. Между точкой соединения конденсаторов и выводом источника питания включен зарядный транзистор, зашунтированный встречно включенным разрядным диодом. К база-коллектор-ному переходу зарядного транзистора через мостовой выпрямитель подключен источник управления переменного тока.
Данное устройство работает следующим образом. В один из полупериодов переменного напряжения источника синхронизации в закрытом состоянии находится один из двух транзисторов благодаря тому, что на его база-эмиттерный переход через диоды диодных цепочек подается полуволна переменного напряжения синхронизации. Эта полуволна одновременно через эмиттер-коллекторную цепь зарядного транзистора заряжает один из конденсаторов. Величина зарядного напряжения конденсатора изменяется за счет изменяющегося сопротивления эмиттер-коллекторной цепи зарядного транзистора, которое в свою очередь зависит от величины напряжения источника управления переменного тока. Время заряда конденсатора ограничивается моментом достижения переменного напряжения синхронизации своего амплитудного значения. После этого момента времени конденсатор начинает разряжаться через резистор базовой цепи, источник питания постоянного тока и разрядный диод. Величина зарядного напряжения конденсатора и постоянная времени его разряда, зависящая от величины сопротивления резистора базовой цепи и величины заряда конденсатора, определяют интервал времени закрытого состояния транзистора. Далее при разряде конденсатора до нуля транзистор полностью открывается в режиме ключа и на нагрузочном резисторе коллекторной цепи выделяется выходной прямоугольный импульс управления, который подается на отпирание управляемого полупроводникового прибора (тиристора, транзистора и др.) преобразователя. Таким образом, изменением величины напряжения источника управления переменного тока регулируется момент открытия транзистора, т.е. фаза выходного прямоугольного импульса управления. Аналогичный процесс происходит в отношении второго транзистора, состояние которого определяется зарядом и разрядом второго конденсатора.
Достоинством данного устройства является то, что оно имеет расширенные функциональные возможности путем обеспечения синхронизации, управления и регулирования фазы выходных прямоугольных импульсов управления тиристоров однофазного выпрямителя в диапазоне длительности полупериода однофазного переменного напряжения сети, поступающего в выпрямитель.
Недостатком устройства является отсутствие возможности стабилизации выпрямленного напряжения выпрямителя путем регулирования фазы прямоугольных импульсов управления при изменении величины амплитуды и частоты входного переменного напряжения выпрямителя. Кроме того, данное устройство не может управлять тиристорами трехфазного выпрямителя переменного тока.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя путем построения трех каналов управления по числу фаз А, В, С, в каждом из которых осуществляется синхронизация, управление и регулирование фазы выходных прямоугольных импульсов управления, их формирование и усиление, обеспечивающие стабилизацию выходного напряжения трехфазного мостового выпрямителя при изменении величины амплитуды и частоты его входного трехфазного переменного напряжения, поступающего от источника трехфазного переменного тока (например, трехфазного синхронного генератора). Причем, напряжение источника трехфазного переменного тока поступает на вход устройства для управления тиристорами через трехфазный трансформатор, первичные и вторичные обмотки которых соединены по схеме «треугольник». При этом, напряжение вторичных обмоток трехфазного трансформатора, поступающее в устройство для управления тиристорами, одновременно является не только синхронизирующим, но и управляющим.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя, содержащее каналы управления, каждый из которых состоит из двух основных транзисторов, подключенных базами через резисторы и коллекторами через нагрузочные элементы к одному (например, положительному) выводу, а эмиттерами - к другому (например, отрицательному) выводу источника питания постоянного тока, причем их база-эмиттерные переходы зашунтированы конденсаторами и цепочками из двух последовательно включенных диодов, к точкам соединения которых между собой подключены выводы вторичной обмотки одной из фаз трехфазного трансформатора напряжения, являющегося одновременно источником как синхронизированного, так и управляющего напряжения, подключенного своими первичными обмотками к трехфазному источнику переменного тока, дополнительно снабжено еще двумя такими же каналами управления, образуя тем самым три канала управления согласно фаз А, В, С, каждое из которых дополнено двумя импульсными трансформаторами, первичная обмотка каждого из которых включена между коллектором и положительным выводом источника питания постоянного тока, а вторичная обмотка предназначена для подключения к управляющей цепи соответствующего тиристора трехфазного выпрямителя, двумя дополнительными транзисторами, каждый из которых своим коллекторно-эмиттерным переходом шунтирует резистор в цепи базы основного транзистора, а между его базой и положительным выводом источника питания постоянного тока включен резистор, причем первичная обмотка каждого импульсного трансформатора зашунтирована диодом, катод которого присоединен к положительному выводу источника питания постоянного тока.
Задачу управления и регулирования фазы выходных прямоугольных импульсов в каждом канале управления выполняет напряжение одной из фаз источника трехфазного синхронизированного и управляющего напряжения переменного тока, в качестве которого выступает трехфазный трансформатор напряжения. Построение устройства для управления тиристорами в виде трех каналов управления согласно фаз А, В, С, в каждый из которых дополнительно включены два импульсных трансформатора, первичная обмотка каждого из которых включена между коллектором основного транзистора и положительным выводом источника питания постоянного тока, а вторичная обмотка подключена к управляющей цепи соответствующего тиристора трехфазного выпрямителя, двумя дополнительными транзисторами, каждый из которых своим коллекторно-эмиттерным переходом шунтирует резистор в цепи базы основного транзистора, а между его базой и положительным выводом источника питания постоянного тока включен резистор, причем первичная обмотка каждого импульсного трансформатора зашунтирована диодом, катод которого присоединен к положительному выводу источника питания постоянного тока, отличают заявляемое изобретение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
Благодаря построению устройства для управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя в виде трех каналов управления согласно фаз А, В, С, каждое из которых дополнено двумя импульсными трансформаторами, первичная обмотка каждого из которых включена между коллектором основного транзистора и положительным выводом источника питания постоянного тока, а вторичная обмотка подключена к управляющей цепи соответствующего тиристора трехфазного выпрямителя, двумя дополнительными транзисторами, каждый из которых своим коллекторно-эмиттерным переходом шунтирует резистор в цепи базы основного транзистора, а между его базой и положительным выводом источника питания постоянного тока включен резистор, причем первичная обмотка каждого импульсного трансформатора зашунтирована диодом, катод которого присоединен к положительному выводу источника питания постоянного тока, обеспечивается расширение функциональных возможностей устройства для управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя в направлении синхронизации, управления и регулирования фазы выходных прямоугольных импульсов управления, их формирования и усиления. Благодаря расширению функциональных возможностей устройства для управления тиристорами обеспечивается стабилизация выходного напряжения трехфазного мостового выпрямителя при изменении величины амплитуды и частоты входного переменного напряжения выпрямителя. Стабилизация выходного напряжения выпрямителя обусловлена следующим. Дополнение каждого канала управления двумя импульсными трансформаторами, включенными в коллекторную цепь основных транзисторов, и двумя дополнительными транзисторами, каждый из которых шунтирует резистор в цепи базы основного транзистора, позволило сформировать такие выходные прямоугольные импульсы управления, у которых их фаза регулируется так, что одновременно с увеличением амплитуды входного напряжения переменного тока фаза импульса увеличивается, а в увеличением частоты входного напряжения наоборот, несколько уменьшается. В результате слежения за амплитудой и частотой входного напряжения выпрямителя устройство управления формирует такой фазовый угол прямоугольных импульсов управления, при котором происходит стабилизация величины выходного напряжения выпрямителя, т.е. неизменность величины напряжения на выходе при широком диапазоне изменения (в два раза) напряжения на входе трехфазного мостового выпрямителя.
Причинно-следственная связь «построение устройства для управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя в виде трех каналов управления согласно фаз А, В, С, каждое из которых дополнено двумя импульсными трансформаторами, первичная обмотка каждого из которых включена между коллектором основного транзистора и положительным выводом источника питания постоянного тока, а вторичная обмотка предназначена для подключения к управляющей цепи соответствующего тиристора трехфазного выпрямителя, двумя дополнительными транзисторами, каждый из которых своим коллекторно-эмиттерным переходом шунтирует резистор в цепи базы основного транзистора, а между его базой и положительным выводом источника питания постоянного тока включен резистор, причем первичная обмотка каждого импульсного трансформатора зашунтирована диодом, катод которого присоединен к положительному выводу источника питания постоянного тока, - расширение функциональных возможностей устройства для управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя путем синхронизации, управления и регулирования фазы прямоугольных импульсов управления, их формирования и усиления, а также слежение за изменением величины амплитуды и частоты входного напряжения трехфазного мостового выпрямителя - стабилизация величины выходного напряжения трехфазного мостового выпрямителя» явно не вытекает из существующего уровня техники и является новой.
Наличие новых причинно-следственных связей «существенные отличительные признаки - результат» свидетельствует о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя, а на фиг. 2 показана диаграмма процессов работы устройства для управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя.
Заявляемое устройство для управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя осуществляется в устройстве, содержащем три канала управления согласно трех фаз А, В, С, в каждом из которых осуществляется синхронизация, управление и регулирование фазы прямоугольных импульсов управления, их формирование и усиление, а также слежение за изменением величины амплитуды и частоты входного напряжения трехфазного мостового выпрямителя, что обеспечивает в итоге стабилизацию величины выходного напряжения выпрямителя.
Каждый канал управления (А, В, С) содержит два основных транзистора 1, 2, которые подключены коллекторами через первичные обмотки импульсных трансформаторов 3, 4 и базами через разрядные резисторы 5, 6 к положительному выводу, а эмиттерами через разделительный диод 7 к отрицательному выводу источника питания постоянного тока 8. Первичные обмотки импульсных трансформаторов 3, 4 зашунтированы диодами 9, 10, катоды которых присоединены к положительному выводу источника питания 8. Вторичные обмотки импульсных трансформаторов через разделительные диоды 19, 20, соединены с цепями управления тиристоров выпрямителя. База-эмиттерные переходы основных транзисторов 1, 2 зашунтированы цепочками 11, 12 из последовательно включенных диодов, к точкам соединения которых между собой подключены выводы одной из трех фазных вторичных обмоток трехфазного трансформатора 13. выступающего в качестве источника трехфазного синхронизированного и управляющего напряжения переменного тока. Между базами основных транзисторов 1, 2 включены последовательно соединенные конденсатора 14, 15. Разрядные резисторы 5, 6 зашунтированы коллекторно-эмиттерными переходами дополнительных транзисторов 16, 17 к базе которых и к положительному выводу источника питания 8 присоединены резисторы 18, 19.
л
ab
ab
ab
ab
d
стаб
Устройство для управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя работает следующим образом (см. фиг. 2). В один из полупериодов линейного напряжения U=U, например, фазы А источника синхронизированного и управляющего напряжения 13 оказывается закрытым основной транзистор 2, благодаря тому, что на его база-эмиттерный переход через один из двух диодов цепочек 11 и 12 подается полуволна переменного линейного напряжения U источника 13, которая одновременно заряжает и конденсатор 14. Величина зарядного напряжения конденсатора 14 зависит от амплитуды синхронизированного и управляющего напряжения U, поступающего от вторичной обмотки трансформатора 13. Время заряда конденсатора 14 ограничивается моментом достижения линейного напряжения U фазы А вторичной обмотки трансформатора 13 своего амплитудного значения. После этого момента времени конденсатор 14 начнет разряжаться через разделительный диод 7, внутреннее сопротивление источника питания постоянного тока 8, сопротивление резистора 6 и параллельно ему включенное сопротивление коллекторно-эмиттерного перехода дополнительного транзистора 16, который частично открывается благодаря его базовому току, проходящему через сопротивление резистора 18. Величина зарядного напряжения и постоянная времени разряда конденсатора 14 определяют интервал времени закрытого состояния транзистора 2. При этом, постоянная времени разряда конденсатора 14 зависит как от величины заряда конденсатора, так и от величин сопротивления резистора 6 и сопротивления коллекторно-эмиттерного перехода дополнительного транзистора 16. При разряде конденсатора 14 до нуля основной транзистор 2 открывается благодаря базовому току, проходящему через резистор 6 и шунтирующий его дополнительный транзистор 16. При открытии основного транзистора 2 на первичной обмотке импульсного трансформатора 4 выделяется выходной прямоугольный сигнал управления, который трансформируется в его вторичную обмотку и через разделительный диод 20 подается на управляющий электрод (УЭ) - катод (К) силового тиристора VS4 трехфазного выпрямителя 23. Величина зарядного напряжения конденсатора 14 зависит от уровня напряжения управления (оно же напряжение синхронизации), поступающего с фазы А вторичной обмотки трехфазного трансформатора. Если линейное напряжение трехфазного источника переменного тока, в качестве которого может быть синхронный генератор переменного тока 22, повышается, то увеличивается и напряжение управления фазы А трехфазного трансформатора, а значит увеличивается зарядное напряжение конденсатора 14, что приводит к увеличению постоянной его времени разряда и увеличению фазового угла выходного прямоугольного импульса управления, подаваемого для открытия тиристора VS4 трехфазного выпрямителя 23. Однако, с увеличением частоты вращения генератора переменного тока 22 увеличивается не только амплитуда его линейного напряжения, но и его частота, что вызовет уменьшение времени периода изменения это напряжения. Чтобы постоянная времени разряда конденсатора 14 не перекрыла уменьшенное время периода изменения напряжения генератора 22, необходимо скорректировать постоянную времени разряда конденсатора 14 в сторону ее уменьшения. С этой целью необходимо на время разряда конденсатора 14 включить дополнительный транзистор 16 так, чтобы фазовый угол выходного импульса управления уменьшился на определенную величину, достаточную для сохранения уровня стабилизации выходного напряжения U выпрямителя 23, подаваемого на нагрузку 24. Это достигается за счет уменьшения величины сопротивления цепи разряда конденсатора 14 путем открытия дополнительного транзистора 16, который своим шунтированием резистора 6 уменьшает общее сопротивление параллельной цепи, состоящей из сопротивления резистора 6 и сопротивления коллекторно-эмиттерного перехода дополнительного транзистора 16. Таким образом, увеличение или уменьшение величины напряжения и частоты генератора 22 не вызовет изменения величины стабилизации выходного напряжения U выпрямителя.
ba
Аналогичный процесс происходит в отношении транзистора 1, состояние которого определяется зарядом и разрядом конденсатора 15 при смене полупериода для линейного напряжения U фазы А генератора.
bc
cb
ca
ac
В каналах управления фаз В и С происходят аналогичные процессы, описанные для фазы А, с той лишь разницей, что регулирование прямоугольных импульсов управления осуществляется в интервалах линейных напряжений U (U) для фазы В и U (U) для фазы С.
стаб
Проведенное математическое моделирование работы устройства для управления тиристорами трехфазного мостового управляемого выпрямителя с настройкой устройства для управления тиристорами на стабилизацию выходного напряжения выпрямителя на уровень 50 В показало, что при изменении линейного напряжения синхронного генератора с 40 до 80 В и частоты переменного тока с 400 до 800 Гц, стабилизация выходного напряжения U трехфазного мостового выпрямителя была осуществлена на уровне 50 В с отклонением в сторону увеличения до 54 В и в сторону уменьшения до 47 В, что составляет 7% отклонения при увеличении и 6% при уменьшении. Это является хорошим результатом стабилизации.