УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

Полезная модель относится к системам преобразования переменного напряжения в постоянное с использованием тиристорных мостовых управляемых выпрямителей, и более точно, к системам для снабжения электрической мощностью нагрузки от многофазного источника переменного тока.
Известны большое количество устройств преобразования переменного напряжения в постоянное. Одним из наиболее общих устройств для преобразования переменного тока в постоянный является так называемый шести-тиристорный управляемый мост. Мост, состоящий из шести тиристоров, имеет пары тиристоров, связанных с каждой фазой источника переменного тока, и путем управления углом отпирания тиристоров, регулируется среднее выходное напряжение моста. В таких преобразователях фазы первичной и вторичной обмоток трансформатора могут быть соединены звездой или треугольником. К выводам вторичной обмотки подключены две группы вентилей, соединенных катодами (катодная группа) и анодами (анодная группа). Нагрузка подключается между узлами соединения катодов и анодов диодов. Управление работой таких схем происходит таким образом, что в течение периода питающего напряжения происходит шесть коммутаций, каждая через π/3 (60 электрических градусов), причем три из них происходят в катодной группе вентилей (ключевых элементов) (имеющих объединенные катоды) и три - в анодной группе. Как правило, тиристорные преобразователи подключены к сети переменного тока через трехфазный трансформатор.
Углы проводимости шести тиристоров управляются для того, чтобы установить на выходе моста напряжение постоянного тока желаемой величины, и управлять мощностью нагрузки. Более точно, поток мощности регулируется путем управления углами проводимости тиристоров в течение каждой половины цикла, прикладываемого переменного напряжения. Каждый тиристор может проводить во время каждой половины цикла напряжения, прикладываемого к нему от трехфазного источника переменного тока, когда анод тиристора является положительным относительно его катода. Термин «угол проводимости», используемый здесь, означает время, в течение которого любой тиристор является действительно открытым. Чем больше угол или время задержки между началом полуцикла и включением тиристора, тем меньше выпрямленное напряжение на нагрузке. Схемы управления вентилями, как правило, строятся с использованием «вертикального» принципа управления, где угол отпирания вентилей определяется моментом пересечения напряжения управления (вырабатываемого регулятором) с пилообразным напряжением (вырабатываемым генератором пилообразного напряжения), причем последний синхронизируется моментами перехода линейных напряжений через ноль.
Известны системы импульсно-фазового управления (СИФУ), выполненные на основе последовательно соединенных канала синхронизации, генератора пилообразного напряжения, релейного элемента и формирователя управляющих импульсов (Управление вентильными электроприводами постоянного тока /Е.Д.Лебедев, В.Е.Неймарк, М.Я.Пистрак, О.В.Слежановский. - М.: Энергия, 1970.- 199 с.). Генератор пилообразного напряжения и релейный элемент в совокупности образуют фазосдвигающее устройство (ФСУ). Принцип действия устройства основан на непосредственном сравнении сигнала пилообразного напряжения с сигналом управления и в момент их равенства формируется угол управления тиристорами. Пилообразное напряжение при этом синхронизируется с моментами пересечения синусоид фазных напряжений. Известны схемы формирования импульсов управления преобразователями такого типа, в которых эти импульсы синхронизируют с напряжением питающей сети в моменты перехода через ноль фазного напряжения, сформированные импульсы подают на управляющие входы вентилей (или ключей) трехфазного преобразователя (например, патент DE №2,119,525, US №. 4,347,562). Другие устройства используют фильтры, обеспечивающие переход синхронизирующего напряжения через ноль в моменты естественной коммутации вентилей. Такие устройства успешно работают в условиях отсутствия искажения напряжения питающей сети.
Известны цифровые методы синхронизации импульсов управления с моментами перехода через ноль питающих напряжений с использованием микропроцессорной техники, которые позволяют обеспечивать устойчивую работу канала синхронизации в условиях сильного искажения питающих напряжений (RU 1821878, RU 2107981). Устройства обладают недостаточной помехозащищенностью, особенно в условиях искажений и глубоких просадок напряжения сети. Для питания устройств требуются источники с высокой степенью стабилизации выходного напряжения, которые сами по себе являются достаточно сложными изделиями. Кроме того, недостатком таких устройств является сложный алгоритм пересчета углов управления преобразователем.
Известные схемы управления, генерирующие отпирающие сигналы для тиристоров трехфазного мостового преобразователя, должны работать в фазе с источником переменного тока, поскольку угол проводимости каждого тиристора обычно измеряется относительно моментов пересечения нуля соответствующим фазным напряжением источника переменного тока. Для того чтобы достичь этого, опорный сигнал получают от трех фаз, при этом каждый опорный сигнал используется для генерации отпирающих импульсов. Система управления по патенту США №4499534 обеспечивает формирование прямоугольного опорного сигнала из заданной одной из фаз переменного напряжения. При этом этот опорный сигнал имеет амплитуду, точно синхронизированную с пересечением нуля напряжением данной фазы, несмотря на присутствие любых нежелательных гармоник, шума, переходов или других искажений в этом фазном напряжении. Имеется средство для формирования из этого опорного сигнала трех фазосмещенных прямоугольных сигналов, каждый из которых представляет одно из трех фазных напряжений и точно синхронизирован с пересечениями нуля этими фазными напряжениями. И, наконец, система управления включает средство, которое в ответ на три прямоугольных сигнала и на постоянное управляющее напряжение, производит управляющие сигналы для отпирания шести тиристоров в проводящее состояние с углами, необходимыми для передачи необходимого потока мощности к нагрузке.
Схема управления, описанная в этом патенте, включает три отдельных генератора пилообразного напряжения, связанные с тремя соответствующими фазами источника переменного тока. Каждый из указанных пилообразных сигналов подается к отдельному компаратору для сравнения с управляющим напряжением постоянного тока, пропорциональным мощности, которая должна быть передана в нагрузку. Каждый генератор пилообразного напряжения генерирует «пилу», которая отклоняется от начальной величины напряжения, определяемой опорным напряжением, уровень этого отклонения определяется интегрирующей схемой генератора пилы. Если уровни отклонения трех генераторов не идентичны, фазы соответствующих сигналов управления, генерируемых с их помощью, будут различными. Такая разница в фазах управляющих сигналов приводит к нежелательной несбалансированности тока нагрузки, влияющей на работу нагрузки. Кроме того, схема управления, описанная в патенте США №4499534, требует схемы запуска, содержащей множество цифровых счетчиков для генерации сигналов управления отдельными тремя генераторами пилы, таким образом, чтобы генерируемые пилообразные сигналы были связаны по фазам с тремя фазами источника переменного напряжения. Такая схема запуска, в дополнение к трем генераторам пилообразного напряжения и трем соответствующим компараторам, увеличивает число элементов общей схемы управления, что нежелательно с экономической точки зрения, и с точки зрения надежности схемы, которая снижается с увеличением числа элементов. Использование такой схемы управления связано с большими трудозатратами, требуемыми для калибровки генераторов пилы. Во время работы отдельные генераторы и компараторы могут стать несбалансированными из-за дрейфа в характеристиках устройств.
Цель полезной модели - упрощение схемы управления и повышение надежности и точности формирования углов проводимости тиристоров для получения установленной мощности на нагрузке в условиях искажения питающих напряжений.
Указанная цель достигается формированием двух последовательностей синхронизирующих импульсов, для одной из которых в качестве опорных сигналов используются линейные напряжения, а для другой - опорный сигнал формируется путем смещения по фазе линейных напряжений на угол β+(1-3) эл. градусов с помощью фильтра, где β - угол инвертирования. Комбинация этих синхронизирующих импульсов позволяет точно управлять длительностью углов проводимости тиристоров. При этом использование фильтра устраняет искажения в опорном напряжении, вызванные присутствием нежелательных гармоник.
Устройство для формирования импульсов управления тиристорным преобразователем, содержащим 3 пары вентилей, каждая пара вентилей связана с одной из фаз источника переменного напряжения, датчики линейных напряжений, соединенных с усилителями-формирователями, схему управления, управляющую углами управления тиристорами, имеющую средство синхронизации опорного сигнала с точками пересечения линейных напряжений, кроме того, датчики линейных напряжений соединены с фильтрами, параметры которых выбраны из условия обеспечения постоянного фазового сдвига на угол β+(1-3), выходы которых соединены с усилителями-формирователями, выходы указанных усилителей-формирователей и дополнительных усилителей-формирователей попарно для каждого линейного напряжения соединены с соответствующей схемой ИЛИ, выходы схем ИЛИ связаны с формирователем синхронизирующих сигналов, который, в свою очередь, соединен с блоком управления вентилями преобразователя.
При этом время проводимости каждого из вентилей преобразователя должно составлять:
λ=120+β+(1-3) эл. град., где величина, равная (1-3) град. представляет угол запаса - т.е время, необходимое для восстановления запирающих свойств тиристора, β -угол инвертирования.
При этом формируются две последовательности прямоугольных импульсов: одна последовательность определяется точками пересечения линейных напряжений трехфазного источника питания, а другая - определяется фазовым смещением точек перехода через ноль линейных напряжений на угол π/3-β+(1-3), задаваемым параметрами фильтра. При прохождении через схему ИЛИ из этих импульсов формируются импульсы управления вентилями преобразователя, обеспечивающие указанное время проводимости вентилей.
Далее суть полезной модели поясняется рисунками, на которых представлены блок схема устройства формирования импульсов управления (фиг.1) на примере одного из линейных напряжений, и временные диаграммы, поясняющие работу схемы (фиг.2)
Устройство формирования импульсов управления тиристорным преобразователем содержит подключенный к питающей сети измерительный трансформатор напряжений 1, выход которого соединен с входом фильтра 2 и входом усилителя - формирователя 3. Выход фильтра 2 также соединен с входом усилителя-формирователя 4. Выходы усилителей-формирователей 3 и 4 соединены со схемой ИЛИ 5, выход которой через формирователь синхронизирующих сигналов 6 соединен с входом блока управления 7. Управляемый напряжением формирователь 6 выполнен по принципу вертикального управления фазой выходных сигналов. Синхронизирующие сигналы формирователя 6 подаются к блоку управления 7, формирующим сигналы управления вентилями V1, V2, V3, V4, V5, V6 преобразователя.
AB
AB
AB
Линейное напряжение, например U, через измерительный трансформатор напряжения 1 подается на вход фильтра 2, параметры которого выбраны из условия смещения на угол β+(1-3) градуса. При этом, кроме фазового смещения, фильтр обеспечивает устранение помех, влияющих на точность синхронизации. На выходе усилителя-формирователя 3 формируется прямоугольный импульс, длительность которого составляет 2π/3, а фазы переднего и заднего фронтов определяются моментами перехода этого напряжения через ноль, смещенных на угол β+(1-3) эл. градуса. (диаграмма b на фиг.2). На выходе усилителя формирователя 4 формируются прямоугольные импульсы также длительностью 2π/3, передний и задний фронты которых определяются моментами перехода через ноль линейного напряжения U (диаграмма с на фиг.2). Прямоугольные импульсы с усилителей-формирователей 3 и 4 подаются на схему ИЛИ 5, которая формирует на выходе прямоугольные импульсы длительностью 2π/3+β+(1-3) эл. градуса (диаграмма d на фиг.2). Эти импульсы используются затем для запуска генератора опорного напряжения, который включен на синхронизирующем входе формирователя 6. На выходе формирователя 6 формируются импульсы прямоугольной формы, передний фронт которых совпадает с фронтом импульсов на выходе фильтра 2, а их длительность устанавливается такой, чтобы задний фронт почти совпадал с моментом изменения знака линейного напряжения U, с разницей в β+(1-3) эл. градуса. Эти сигналы затем приходят на блок управления вентилями преобразователя 7. При этом длительность импульсов, подаваемых на вентили преобразователя, λ будет составлять:
эл.град. Далее эти импульсы используются схемой управления 7 для управления вентилями преобразователя.
Таким образом, обеспечивается простая и дешевая система управления длительностью открытого состояния тиристоров, позволяющая обеспечить рекуперацию мощности нагрузки в сеть переменного тока с максимальным значением cosφ, и устраняющая помехи, искажающие синусоидальные напряжения сети, обеспечивая точность и надежность управления преобразователем.