СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO CONTROL THYRISTOR AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в электротехнической промышленности, электроэнергетике, мощном радиостроении и электроприводе.
Уровень техники
L
L
Известен способ управления, при котором включение тиристора осуществляется управляющим импульсом определенной амплитуды и длительности [1]. При таком способе управления тиристор включается только тогда, когда анодный ток в приборе превысит ток удержания I - параметр конкретного тиристора, приводимый в справочных данных на него. Если, после того как импульс включения закончился, анодный ток спадет ниже I, тиристор может перейти обратно в закрытое состояние, что недопустимо с точки зрения надежности работы тиристора, особенно в составе высоковольтного вентиля.
Известен способ управления тиристором (или цепочкой последовательно включенных тиристоров) [2], в соответствии с которым на вход формирователя импульсов управления подается узкий импульс, и в случае если в заданном интервале проводимости ток прекратился и на тиристоре возрастает напряжение, по сигналу с датчика напряжения система управления формирует повторный узкий импульс включения. Достоинством способа является его экономичность. К недостаткам следует отнести сложность технической реализации, оправданную только в случае очень крупных энергетических объектов, в которых следящие системы выполняют и ряд других функций.
В связи с этим ведущие фирмы [3] предлагают использовать «длинный» импульс управления, содержащий форсированную часть с амплитудой и длительностью, на порядок большими, чем минимальный ток управления и время включения тиристора соответственно, и сопровождающую часть с амплитудой не менее, чем вдвое большей минимального тока управления, и длительностью, равной всему времени прохождения анодного тока. Этот способ, принятый нами за прототип, обеспечивает надежное включение тиристора любых параметров, но приводит к значительным потерям в цепи управления и к большей мощности аппаратуры формирования импульса управления, а иногда - в тиристорах с большими токами управления - и к перегреву приэлектродной области прибора.
Сущность изобретения
q
q
L
АМ
L
АМ
Задача изобретения - снижение потерь в цепи управления и повышение надежности работы тиристорного преобразователя в целом. Поставленная задача решается тем, что импульс управления имеет заполнение с частотой F≥1/t, где t - время выключения тиристора, причем длительность единичного импульса управления λ определяется выражением λ=Т(I/I), где I - ток удержания тиристора; I - амплитуда анодного тока; Т - период частоты F.
L
АМ
Устройство, реализующее вышеуказанный способ управления тиристором или цепочкой из n последовательно включенных тиристоров, содержит первичную систему управления и датчик тока, включенный последовательно с тиристорами, причем выход первичной системы управления и выход датчика тока подключены к входу генератора импульсов постоянной частоты F, но переменной длительности λ, зависящей от сигнала с датчика тока и определяемой выражением λ=Т(I/I), а выход генератора импульсов подключен к входу блока электрооптических каналов, выходы которых, в свою очередь, подключены к входам формирователей импульсов управления, соединенных с управляющими входами тиристоров V1…Vn соответственно.
Осуществление изобретения
Физическая сущность изобретения поясняется эпюрами на фиг.1 и состоит в следующем.
a
a
L
a
n
При прохождении через силовой тиристор анодного тока i (фиг.1a) возможно самопроизвольное выключение тиристора, если в соответствии с режимом работы преобразователя или вследствие сбоя расчетного режима значение амплитуды анодного тока i станет меньше тока удержания I для данного типа тиристоров. Тогда анодный ток i может прерваться. Прерывание тока вызывается снижением плотности неосновных носителей р в толстой n-базе ниже допустимого предела
n
мин
n
n
мин
р
р
р
р
q
q
(р), что приводит к нарушению положительной обратной связи между эмиссией электронов из эмиттера и эмиссией дырок из коллектора, которая и является основным физическим механизмом поддержания силового анодного тока тиристора. Чтобы этого не произошло, предлагается постоянно поддерживать плотность р на уровне выше (р) за счет периодического «впрыскивания» носителей импульсом тока управления. Период Т чередования импульсов управления (фиг.1в) не должен превышать тройного времени жизни неосновных носителей τ, поскольку за время, большее 3τ, в отсутствие поддерживающего тока практически все неосновные носители успеют рекомбинировать. Параметр τ не доступен из заводских каталогов, поэтому с точностью, достаточной для инженерных применений, можно принять 3τ=t [4], где t - время выключения, являющееся каталожным параметром для любого типа тиристоров [5]. Таким образом, для обеспечения устойчивого прохождения силового тока должно быть выполнено условие
,
или, что то же самое,
,
где
AM
L
АМ
AM
L
F - несущая частота (частота заполнения) «длинного» импульса управления. Для дальнейшего снижения потерь длительность λ импульса управления устанавливается обратно пропорциональной I (фиг.1а) и определяется выражением λ=Т(I/I), которое и отражает тот факт, что большие анодные токи не нуждаются в поддержке, и в пределе λ может быть сведено к нулю и, наоборот, при I≈I длительность импульса должна быть максимальной, то есть в предельном случае λ=Т.
L
AM
Структурная схема устройства для реализации предложенного способа приведена на фиг.2. Устройство управления тиристором или цепочкой из n последовательно включенных тиристоров содержит первичную систему управления 1 и датчик тока 2, включенный последовательно с тиристорами, причем выход первичной системы управления 1 и выход датчика тока 2 подключены к входу генератора импульсов 3 постоянной частоты F, но переменной длительности λ, зависящей от сигнала с датчика тока 2 и определяемой выражением λ=Т(I/I), а выход генератора импульсов 3 подключен к входу блока электрооптических каналов 4, выходы которых, в свою очередь, подключены ко входам формирователей импульсов управления 5.1…5.n, соединенных с управляющими входами тиристоров V1…Vn соответственно.
Устройство управления тиристором или цепочкой из n последовательно включенных тиристоров работает следующим образом.
f
При поступлении в генератор импульсов 3 переднего фронта сигнала от первичной системы управления 1 этот сигнал через блок электрооптических каналов 4 поступает в формирователи импульсов управления 5.1…5.n, которые выдают на управляющие входы тиристоров V1…Vn форсированную часть импульса управления с амплитудой и длительностью на порядок больше, чем минимальный ток управления и время включения тиристора t соответственно.
На этом переходной процесс заканчивается.
L
AM
Дальнейшее формирование импульсов управления идет с постоянной частотой F, задаваемой непосредственно генератором импульсов 3, который, кроме того, меняет длительность импульсов. Длительность импульсов от генератора 3 соответствует выражению λ=Т(I/I), то есть обратно пропорциональна значению сигнала, поступившего с датчика тока 2 (такая функция легко осуществима, например, с помощью аналого-цифрового преобразователя). Дальнейшее преобразование в блоке электрооптических каналов 4 никак не влияет на длительность импульсов. То же относится и к формирователям импульсов управления 5.1…5.n. Введение электрооптического канала обусловлено чисто технической необходимостью гальванической развязки потенциалов тиристоров от потенциала первичной системы управления 1. При поступлении в генератор импульсов 3 заднего фронта сигнала от первичной системы управления 1 импульсы управления с выхода генератора импульсов 3, т.е. и со всех тиристоров V1…Vn, снимаются.
q
Следования единичных импульсов с частотой F внутри «длинного» импульса управления в соответствии с условием F≥1/t обеспечивают надежное поддержание анодного тока при меньшем энергопотреблении. Изменение длительности импульсов λ обратно пропорционально амплитуде анодного тока, позволяет уменьшать длительность λ вплоть до прекращения генерации дополнительных импульсов, что ведет к дальнейшему снижению потерь в цепи управления. Устройство для реализации предложенного способа не содержит блоков со значительным энергопотреблением. Таким образом, поставленная цель - снижение потерь в цепи управления и повышение надежности работы тиристорного преобразователя в целом - достигнута.
Источники информации
1. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник // М.: Энергоатомиздат, 1985.
2. Горшков B.C., Данькин Е.Ф., Панов Г.В., Январев А.И. Световая система управления и контроля блока БВПМ-700/120. Электротехническое оборудование для вставки постоянного тока // Сб. научных трудов ВЭИ им. В.И.Ленина. М.: Энергатомиздат, 1986, стр.42-47.
3. Phase Control Thyristors / ABB Semiconductors AG/ Application, 1996.
4. Ф.Джентри, Ф.Гутцвиллер, Н.Голоньяк, Э.фон Застров.Управляемые полупроводниковые вентили. - М.: Мир, 1967, глава 6.
5. ОАО «Электровыпрямитель». Краткий каталог «Полупроводниковые приборы силовой электроники», г.Саранск, www.elvpr.ru.