ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ ТОКА УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРА
THYRISTOR CONTROL CURRENT PULSE FORMER

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах управления тиристорами в преобразователях различной мощности.
Известен формирователь импульсов тока управления тиристора, содержащий транзистор, управляющий вход которого соединен с вторым выводом первого резистора, импульсный трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого соединен с катодом демпфирующего диода и положительным выводом источника напряжения, отрицательный вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом тиристора, управляемый формирователь импульсов напряжения прямоугольной формы, один из выходов которого соединен с общей шиной, а потенциальный выход соединен с входом регулируемого блока преобразования формы импульсов напряжения, один из выходов которого соединен с общей шиной, а потенциальный его выход соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с точкой соединения второго силового вывода транзистора и первого вывода второго резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной питания, а выход операционного усилителя соединен с первым выводом первого резистора, первый силовой вывод транзистора соединен с вторым выводом первичной обмотки импульсного трансформатора и анодом демпфирующего диода, причем первый вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с управляющим электродом тиристора. (RU 57058, МПК Н02М 1/08, опубл. 27.09.2006).
Основным недостатком известного устройства является его относительно низкая помехоустойчивость. Это обуславливается двумя основными причинами. Первой причиной является то, что запуск формирователя осуществляется путем подачи импульса напряжения от управляемого источника импульсных сигналов системы управления преобразователя на основе тиристоров, выполненного на основе источника напряжения через соединительную линию передачи. Подобное решение приводит к тому, что при работе в преобразовательных устройствах на линии передачи управляющего сигнала между системой управления и формирователем при возникновении внешних электромагнитных помех существенно повышается вероятность ложного запуска формирователя и, соответственно, возникновение ложного импульса тока управления для тиристора. Второй причиной является то, что при работе мощных преобразователей на основе тиристоров при возникновении внешних электромагнитных помех в соединительной линии между выводами вторичной обмотки импульсного трансформатора формирователя и управляющей цепью тиристора возможно наведение ложного токового сигнала в цепи управления. При этом, если этот ток превысит наименьшую величину импульсного тока управления, необходимую для включения тиристора и длительность будет больше времени задержки включения, то это может привести к ложному включению тиристора. Все это предопределяет низкую помехоустойчивость известного устройства, что обуславливает нестабильную работу формирователя импульсов тока управления и, соответственно, большую вероятность возникновения ложных включений тиристора в преобразователе.
Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости формирователя импульсов тока управления тиристора.
Технический результат достигается тем, что формирователь импульсов тока управления тиристора содержит управляемый источник импульсных сигналов системы управления преобразователя, выходы которого соединены с входными выводами двухпроводной линии передачи управляющего сигнала, управляемый формирователь импульсов напряжения прямоугольной формы, один из выходов которого соединен с общей шиной, а потенциальный его выход соединен с входом блока преобразования формы импульсов напряжения, один из выходов которого соединен с общей шиной, а потенциальный его выход соединен с неинвертирующим потенциальным входом операционного усилителя. Потенциальный выход операционного усилителя соединен с первым выводом первого резистора, а инвертирующий потенциальный вход операционного усилителя соединен с точкой соединения первого вывода второго резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, и первого силового вывода транзистора, управляющий вход которого соединен со вторым потенциальным выводом первого резистора, а второй силовой вывод которого соединен с точкой соединения первого начального вывода первичной обмотки импульсного трансформатора и анода диода, катод которого соединен с точкой соединения потенциального вывода источника постоянного напряжения, второй вывод которого соединен с общей шиной, и второго оконечного вывода первичной обмотки импульсного трансформатора, первый начальный вывод вторичной обмотки которого соединен с катодом тиристора, а второй оконечный вывод его вторичной обмотки соединен с управляющим электродом тиристора. При этом управляемый источник импульсных сигналов системы управления преобразователя выполнен на основе схемы источника тока. Потенциальный выходной вывод двухпроводной линии передачи управляющего сигнала соединен с точкой соединения первого вывода входного резистора, второй вывод которого соединен с точкой соединения общей шины и общего выходного вывода двухпроводной линии передачи управляющего сигнала, и потенциального входа ограничителя напряжения по уровню, один из выходов которого соединен с общей шиной, а второй его потенциальный выход соединен с потенциальным входом формирователя запускающих импульсов, один из выходов которого соединен с общей шиной, а потенциальный его выход соединен с потенциальным входом управляемого формирователя импульсов напряжения прямоугольной формы, потенциальный выход которого также соединен с потенциальным входом формирователя импульсов управления электронным ключом, один из выходов которого соединен с общей шиной, а потенциальный его выход соединен с управляющим входом электронного ключа, первый силовой вывод которого соединен с общей шиной, второй силовой вывод которого соединен с точкой соединения первого вывода третьего резистора, второй вывод которого соединен с потенциальным выводом источника постоянного напряжения, и первого вывода разделительного конденсатора, второй вывод которого соединен с вторым оконечным выводом второй вторичной обмотки импульсного трансформатора, первый начальный вывод которой соединен с общей шиной.
На фиг.1 изображен формирователь импульсов тока управления тиристора, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу за один период внешнего управления тиристором.
Формирователь содержит (фиг.1) управляемый источник импульсных сигналов системы управления преобразователя 1, выполненный на основе схемы источника тока, один из выходов которого через линию передачи управляющего сигнала соединен с общей шиной, потенциальный выход которого через линию передачи управляющего сигнала 2 соединен с точкой соединения первого вывода входного резистора 3, второй вывод которого соединен с общей шиной, и потенциального входа ограничителя-напряжения 4 по уровню, другой вход и один из выходов которого соединены с общей шиной, а второй потенциальный выход которого соединен с потенциальным входом формирователя запускающих импульсов 5, другой вход и один из выходов которого соединены с общей шиной, а потенциальный выход которого соединен с потенциальным входом управляемого формирователя импульсов напряжения 6 прямоугольной формы, другой вход и один из выходов которого соединены с общей шиной, а потенциальный выход которого соединен с потенциальным входом блока преобразования формы импульсов напряжения 7, другой вход и один из выходов которого соединены с общей шиной, а потенциальный выход которого соединен с неинвертирующим потенциальным входом операционного усилителя 8, потенциальный выход которого соединен с первым выводом резистора 9, а инвертирующий потенциальный вход которого соединен с точкой соединения первого вывода резистора 10, второй вывод которого соединен с общей шиной, и первого силового вывода транзистора 11, управляющий вход которого соединен со вторым потенциальным выводом резистора 9, а второй силовой вывод которого соединен с точкой соединения первого начального вывода первичной обмотки импульсного трансформатора 12 и анода диода 13, катод которого соединен с точкой соединения потенциального вывода источника постоянного напряжения 14, второй вывод которого соединен с общей шиной, и второго оконечного вывода первичной обмотки импульсного трансформатора 12, первый начальный вывод вторичной обмотки которого соединен с катодом тиристора 15, а второй оконечный вывод вторичной обмотки которого соединен с управляющим электродом тиристора. Потенциальный выход управляемого формирователя импульсов напряжения 6 прямоугольной формы также соединен с потенциальным входом формирователя импульсов управления 16 электронным ключом, один из выходов которого соединен с общей шиной, а потенциальный выход которого соединен с управляющим-входом электронного ключа 17, первый силовой вывод которого соединен с общей шиной, второй силовой вывод которого соединен с точкой соединения первого вывода резистора 18, второй вывод которого соединен с потенциальным выводом источника постоянного напряжения 14, и первого вывода конденсатора 19, второй вывод которого соединен с первым начальным выводом второй вторичной обмотки импульсного трансформатора 12, второй оконечный вывод которой соединен с общей шиной.
Устройство работает следующим образом.
1
1
6
7
1
В исходном состоянии до момента t (фиг.2) начала формирования управляемым источником импульсных сигналов системы управления преобразователя 1 выходного импульса тока i, под воздействием выходного сигнала напряжения u формирователя импульсов управления электронным ключом 16 электронный ключ 17 установлен в состояние высокой проводимости. При этом через него протекает постоянный заданный ток, а напряжение (u) на его силовых выводах устанавливается равным минимальному напряжению в состоянии высокой проводимости для выбранного типа электронного ключа, что обеспечивает малую величину его внутреннего сопротивления между силовыми выводами как на постоянном токе через него, так и на изменяющемся. В результате этого при возникновении изменяющегося тока внешней помехи через разделительный конденсатор 19 и импульсный трансформатор 12 до момента t и далее в паузах между интервалами формирования импульса тока управления тиристора 15 обеспечивается эквивалентное шунтирование его цепи управления этим малым сопротивлением.
1
1
12
2
1
1
ОГР
12
2
2M
3
3
12
3
3
4
13
3
1
5
G
С момента времени t на выходе управляемого источника импульсных сигналов системы управления преобразователя 1, выполненного на основе схемы источника тока, начинает формироваться импульс тока управления i заданной длительности ΔT=t-t, который через линию передачи управляющего сигнала 2 формирует на резисторе 3 импульс напряжения u, который поступает на вход ограничителя напряжения 4 по уровню. Ограничитель напряжения 4 по уровню на своем выходе на интервале времени между внешними импульсами управления формирует постоянный и регулируемый уровень ограничения u, который может изменяться в зависимости от требуемого уровня ограничения, необходимого для защиты включения тиристора 15 от возможных наведенных электромагнитных помех на входном резисторе 3. При этом на интервале ΔT на выходе ограничителя напряжения 4 по уровню на фоне постоянного напряжения дополнительно формируется импульс управления u с амплитудой U. Этот сигнал подается на вход формирователя запускающих импульсов 5, который формирует на выходе запускающий импульс напряжения требуемой формы. В результате этого на вход управляемого формирователя импульсов напряжения 6 прямоугольной формы подается импульс напряжения u (u') длительностью ΔT. При этом, когда схема управляемого формирователя импульсов напряжения 6 прямоугольной формы предусматривает его запуск входным сигналом напряжения управления с переходом из состояния низкого уровня в состояние высокого уровня, применяется сигнал u. При его запуске входным сигналом напряжения управления с переходом из состояния высокого уровня в состояние низкого уровня применяется сигнал u'. При этом на выходе формирователя импульсов напряжения 6 прямоугольной формы формируется импульс напряжения u заданной длительности ΔТ=t-t. Этот сигнал подается на вход блока преобразования формы импульса напряжения 7, который преобразует входной импульс прямоугольной формы в импульс напряжения u с определенными параметрами амплитуды и скорости нарастания, который подается на неинвертирующий вход операционного усилителя 8. Сигнал напряжения с выхода операционного усилителя через резистор 9 поступает на управляющий вывод транзистора 11. Операционный усилитель 8 вместе с транзистором 11, резисторами 9 и 10, импульсным трансформатором 12 и источником питания 14 образуют управляемый источник тока, поэтому в цепи первичной и вторичной обмотках импульсного трансформатора 12 формируется импульс тока i, форма которого соответствует форме управляющего напряжения формирующегося на неинвертирующем входе операционного усилителя 8 с выхода блока преобразования формы импульса напряжения 7. Демпфирующий диод 13 после окончания импульса тока обеспечивает сброс накопившейся энергии в трансформаторе.
1
13
3
1
1
4
6
При этом для устранения шунтирования цепи управления тиристора 15 малым по величине эквивалентным сопротивлением электронного ключа 17, находящемся до момента t в состоянии высокой проводимости на интервале времени ΔT=t-t, в момент t под воздействием сигнала напряжения u на входе формирователя импульсов управления 16 электронным ключом, последний формирует на своем выходе сигнал импульса напряжения u, который переводит электронный ключ 17 в состояние низкой проводимости.
Использование предложенного технического решения позволяет существенно снизить вероятность появления в цепи управления ложных сигналов тока управления от наведенных электромагнитных помех, которые возникают при работе преобразователя, что приводит к повышению помехоустойчивости формирователя. Это обуславливается следующим.
1. Управляемый источник импульсных сигналов 1 системы управления преобразователя выполнен на основе схемы источника тока. При этом управляющий сигнал от системы управления в виде импульса тока заданной амплитуды через согласованную линию передачи 2 протекает через входной резистор 3. На входном резисторе 3, величина сопротивления которого для согласования с линией передачи управляющего сигнала обычно имеет величину от 50 Ом до 300 Ом, формируется импульсный сигнал напряжения заданной амплитуды. Такое техническое решение позволяет существенно снизить вероятность появления на этом резисторе 3 ложных сигналов напряжения управления от наведенных электромагнитных помех, которые возникают при работе преобразователя, что является одним из путей повышения помехоустойчивости устройства по линии передачи 2 управляющего сигнала.
2. Другой мерой для повышения помехоустойчивости является то, что импульсный сигнал напряжения с входного резистора 3 поступает на вход ограничителя напряжения 4 по уровню, который пропускает на свой выход сигнал напряжения только в том случае, когда величина его уровня превышает величину уровня установленного ограничения. Таким образом, даже при возникновении сигнала напряжения от внешней электромагнитной помехи на входном резисторе 3 дополнительно снижается возможность ложного запуска формирователя 5 за счет подавления этого сигнала ограничителем напряжения 4. При этом величина ограничения напряжения устанавливается на таком уровне, при котором обеспечивается малая вероятность появления на выходе ограничителя напряжения 4 ложного сигнала напряжения, формируемого сигналом помехи.
3. Дополнительной мерой для повышения помехоустойчивости является то, что в устройство введен управляемый электронный ключ 17, управляющий вход которого соединен с формирователем импульсов управления 16 электронным ключом 17. Второй силовой вывод электронного ключа 17 соединен с точкой соединения резистора 18, подключенного к источнику постоянного напряжения 14, и разделительного конденсатора 19, подключенного ко второй вторичной обмотке импульсного трансформатора 12.
Ýî
22
22
Cð
ỲÎ
ÝÊÂ
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˜</mo></mover><mo>∂</mo></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Управление ключом организовано так, что в промежутках между внешними импульсами управления электронный ключ 17 открыт и имеет малое сопротивление R. При этом параллельно второй вторичной обмотке W импульсного трансформатора 12 на изменяющемся токе оказывается подключено эквивалентное сопротивление последовательной цепи, состоящей из активного сопротивления второй вторичной обмотки R, сопротивления Х разделительного конденсатора 19
и активного сопротивления электронного ключа 17 в открытом состоянии R. Общее эквивалентное сопротивление Z последовательной эквивалентной цепи определяется как:
<mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mover><mi>Y</mi><mo>'</mo></mover><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>^</mo></mover><mover accent="true"><mi>A</mi><mo>^</mo></mover></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>R</mi><mrow><mover><mi>Y</mi><mo>'</mo></mover><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>^</mo></mover><mover accent="true"><mi>A</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>X</mi><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˜</mo></mover><mi>D</mi></msub></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow>
,
ỲÊÂ
ÝÎ
22
где R=R+R - эквивалентное активное сопротивление;
<mrow><msub><mi>X</mi><mrow><msub><mi>C</mi><mo>∂</mo></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><msub><mi>C</mi><mo>∂</mo></msub></mrow></mfrac></mrow>
- емкостное сопротивление на частоте помехи f.
<mrow><msub><mi>X</mi><mrow><msub><mi>C</mi><mo>∂</mo></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˜</mo></mover><mo>∂</mo></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>X</mi><mrow><msub><mi>C</mi><mo>∂</mo></msub></mrow></msub><mo><</mo><mo><</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mover><mi>Y</mi><mo>/</mo></mover><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>^</mo></mover><mover accent="true"><mi>A</mi><mo>^</mo></mover></mrow></msub></mrow>
ÝÊÂ
ÝÊÂ
ÝÊÂ
Величина емкостного сопротивления
изменяется от частоты помехи, поэтому чтобы эта зависимость не существенно сказывалась на величине общего эквивалентного сопротивления Z самой низкой частоте сигнала помехи величину емкости разделительного конденсатора 19
подбирают такой, чтобы выполнялось условие
. Тогда для сигналов возможных помех с самой низкой по величине частотой общее эквивалентное сопротивление носит в основном активный характер, так как при этом выполняется условие Z≈R.
1
ÝÊÂ
21
21
ÝÊÂ
ÝÊÂ
ÝÊÂ
ÝÊÂ
ÄÈÔ
При этом транзистор 11, подключенный к первичной обмотке W импульсного трансформатора 12, в паузах между внешними импульсами управления находится в закрытом состоянии, поэтому при возникновении внешней помехи эквивалентное сопротивление R транслируется в первую вторичную обмотку W импульсного трансформатора 12 в виде подключенного параллельно обмотке W сопротивления R'. Коэффициент трансформации между вторичными обмотками импульсного трансформатора 12 выбирается таковым, чтобы выполнялось условие R'≈R. При этом также путем выбора величины коэффициента трансформации величина R'. Устанавливается много меньше минимальной величины дифференциального сопротивления R вольтамперной характеристики управляющего перехода тиристора 15 в прямом направлении. Это условие обеспечивает глубокое шунтирование этого перехода, что при возникновении в цепи управления тиристора 15 наведенного изменяющегося тока помехи существенно снижает вероятность накопления заряда в цепи управления критической величины, при которой тиристор включается.
Такие технические решения в совокупности позволяют существенно снизить вероятность появления в цепи управления ложных сигналов тока управления от наведенных электромагнитных помех, которые возникают при работе преобразователя.