УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ ТИРИСТОРАМИ
HIGH-VOLTAGE THYRISTOR CONTROL DEVICE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к силовым высоковольтным преобразователям, и может быть использовано в устройствах плавного пуска и регулирования скорости высоковольтных асинхронных и синхронных электродвигателей с напряжением 6,10 кВ и более.
Для обеспечения надежной работы преобразователей с высоковольтными тиристорами (особенно при их последовательном соединении) требуется выполнение ряда требований к величине и форме управляющих импульсов. В частности, амплитуда напряжения в начале импульса (форсировка) должна быть на уровне 8-10 В, фронт его нарастания не должен превышать 1 мкс, длительность должна быть не ниже 15-20 мкс (желательно на все время «горения»), отпирающий постоянный ток управления до 400 мА, ток на участке форсировки до 600-800 мА. При этом изоляция цепей управления от силовой должна быть усилена и выдерживать испытательное напряжение для принятого класса напряжения.
Известно устройство для управления тиристором (заявитель «MITSUBISHI ELECTRIC CORP», US 3950693, опубликовано 13.04.1976 г.), содержащее импульсный трансформатор с первичной обмоткой, подключенной выводами через ключ к высокочастотному силовому источнику напряжения. Управляющая цепь ключа содержит генератор импульсов высокой частоты и устройство управления полупроводниковым ключом. При поступлении команды на открытие тиристора управляющие импульсы с генератора импульсов поступают на вход ключа, который открывается в такт их следования и через импульсный трансформатор, выпрямитель на выходе вторичной обмотки трансформатора и токоограничивающий резистор открывает тиристор. Управление тиристором в данном устройстве осуществляется пачками импульсов.
К недостаткам аналога следует отнести:
- наличие паузы между импульсами для обеспечения перемагничивания импульсных трансформаторов;
- недостаточная надежность устройства при работе в высоковольтном преобразователе (при напряжении питающей сети 10 кВ и более) из-за наличия емкостной связи между первичными и вторичными обмотками импульсных трансформаторов, через которую на цифровую систему управления может проходить сигнал помехи, нарушающий работу системы управления;
- отсутствие форсировки (увеличенного сигнала) первого импульса.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, взятым за прототип, является устройство управления высоковольтных тиристоров (заявитель «ASEA АВ» US 4337404, опубликовано 29.06.1982 г.), содержащее систему импульсно-фазового управления, высокочастотный автогенератор, развязывающие трансформаторы с двумя токовыми первичными обмотками и двумя вторичными обмотками, подключенными на входы выпрямителей, резисторы.
Управление высоковольтными тиристорами осуществляется через выпрямители от вторичных обмоток развязывающих трансформаторов. Первичные обмотки развязывающих трансформаторов выполненных в виде токовых петель. Выводы одной первичной токовой обмотки, предназначенной для форсирующих импульсов, подключены соответственно к аноду тиристора и первому конденсатору, заряжаемому через первый резистор от первого источника напряжения.
Вторая первичная обмотка, предназначенная для формирования управляющих импульсов с номинальными параметрами, подключена первым выводом к коллектору транзистора, а вторым - через второй резистор ко второму источнику напряжения. Для рекуперации энергии размагничивания первичной обмотки при прерывании импульсов управления служит цепь, состоящая из второго конденсатора, первого диода и третьего резистора. При включении высоковольтного тиристора первый конденсатор разряжается на первую первичную обмотку развязывающих трансформаторов, формируя форсированные импульсы управления в высоковольтных тиристорах. В момент спадания тока высоковольтного тиристора до нуля он закрывается, и из схемы управления поступает команда на включение транзистора.
Транзистор управляется от высокочастотного автогенератора и во время его открытого состояния во второй первичной обмотке развязывающих трансформаторов формируются импульсы управления номинальной величины. Во время закрытого состояния транзистора энергия размагничивания сердечников и вторичных обмоток развязывающих трансформаторов поступает через выпрямители в управляющие цепи тиристоров, а энергия первичной обмотки рекуперируется во второй конденсатор, откуда она вновь потребляется при формировании очередного импульса управления.
Недостатком устройства прототипа является:
- большие габариты развязывающего трансформатора наличием второй токовой первичной обмотки и необходимости ее выполнения также как и другой первичной его обмотки в виде токовой петли с высоковольтной изоляцией;
- наличие емкостной связи между первичными и вторичными обмотками развязывающего трансформатора, через которую при резком изменении напряжения в момент открытия высоковольтных тиристоров может проходить импульс тока помехи по цепи: фаза, например А, силового напряжения питающей сети - высоковольтная обмотка двигателя - емкость между обмоткой и корпусом двигателя («землей») - цифровая система управления - первичные обмотки импульсных трансформаторов - емкость между первичными и вторичными обмотками развязывающих трансформаторов - управляющие электроды тиристоров - RC цепочки - фаза В (или С). Работа системы импульсно-фазового управления (СИФУ) нарушается, и может появиться управляющий импульс на высоковольтном тиристоре, который должен быть в это время закрыт. Возникает неуправляемый бросок тока в силовой цепи, приводящий к срабатыванию максимально-токовой защиты и отключению преобразователя от сети. Наиболее вероятно возникновение данного явления при напряжении питающей сети 10 кВ и выше.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в уменьшении габаритных размеров развязывающего трансформатора, а также повышения помехозащищенности устройства и надежности работы преобразователя.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве управления высоковольтными тиристорами, содержащем систему импульсно-фазового управления, высокочастотный автогенератор, блоки управления по числу высоковольтных тиристоров, каждый из которых содержит выпрямители, развязывающий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены на входы выпрямителей, резисторы, в каждый блок управления введены оптоприемник, одновибратор, транзисторные ключи, силовые входы которых соединены с выходами соответствующих выпрямителей, а входы управления соединены с выходом оптоприемника, причем один транзисторный ключ входом соединен с оптоприемником непосредственно или через введенный логический элемент, а другой транзисторный ключ соединен входом с оптоприемником через одновибратор, выходы же транзисторных ключей соединены с управляющим электродом высоковольтного тиристора через резисторы, при этом развязывающий трансформатор выполнен с одной первичной обмоткой, подключенной на выход высокочастотного автогенератора, а система импульсно-фазового управления содержит оптопередатчики по числу блоков управления.
Благодаря тому, что устройство управления высоковольтными тиристорами содержит СИФУ с оптопередатчиками, а в блоки управления введены транзисторные ключи, одновибратор, оптоприемник, выполнению развязывающего трансформатора с одной первичной токовой обмоткой и размещением его в цепи питания блока управления высоковольтного тиристора (а не в канале прохождения импульса управления тиристора) упрощается конструкция развязывающего трансформатора, уменьшаются его габариты, исключаются емкостные связи через высоковольтную изоляцию в цепи формирования импульса управления тиристором, повышая тем самым помехозащищенность устройства.
На чертеже изображена схема заявляемого устройства управления высоковольтными тиристорами, где приняты следующие обозначения:
1 - высоковольтные тиристоры;
2 - система импульсно-фазового управления;
3 - оптопередатчики;
4 - высокочастотный автогенератор;
5 - развязывающие трансформаторы;
6, 7 - выпрямители;
8, 9 - транзисторные ключи;
10 - одновибратор;
11 - оптоприемник;
12, 15, 16, 17, 18 - логические элементы;
13, 14, 19 - резисторы;
20 - конденсатор;
21 - блоки управления.
Устройство управления высоковольтными тиристорами содержит систему импульсно-фазового управления 2 (далее, СИФУ) с оптопередатчиками 3, высокочастотный автогенератор 4, развязывающие трансформаторы 5 с токовой первичной обмоткой, подключенной на выход автогенератора 4, и двумя вторичными обмотками, подключенными на входы выпрямителей 6, 7, введенные в цепь связи управляющего электрода высоковольтных тиристоров 1 с источниками управляющих сигналов два транзисторных ключа 8, 9, одновибратор 10 и оптоприемник 11, цепи управления первого транзисторного ключа 9 связаны непосредственно или через логический элемент 12 с выходом оптоприемника 11; выход оптоприемника 11 связан также через одновибратор 10 с цепями управления второго транзисторного ключа 8; входные цепи транзисторных ключей 8, 9 подключены к выходам выпрямителей 6, 7, а выходные цепи транзисторных ключей соединены через резисторы 13, 14 к управляющим электродам высоковольтных тиристоров 1. Одновибратор 10 выполнен на логических элементах 15 18, резисторе 19, конденсаторе 20. Элементы 5…20 образуют блоки управления 21, каждый из которых управляет одним высоковольтным тиристором. При этом количество блоков управления 21 в устройстве равно числу управляемых высоковольтных тиристоров 1.
Работает устройство управления высоковольтными тиристорами следующим образом:
В исходном состоянии схемы высокочастотный автогенератор 4 работает, и по первичной обмотке развязывающего трансформатора 5 протекает ток. На выходе выпрямителей 6, 7 имеется напряжение, и все элементы схемы имеют питание. При этом сигнал на выходе СИФУ 2 отсутствует, на выходе оптоприемника 11 логическая единица, а на входах транзисторных ключей 8, 9 логические нули, транзисторные ключи 8, 9 закрыты и на управляющем электроде тиристора 1 сигнал отсутствует. Конденсатор 20 одновибратора 10 заряжен, запоминая логическую единицу на входе логического элемента 16.
При появлении оптического сигнала на выходе оптопередатчика 3 СИФУ 2 на выходе оптоприемника 11 появляется логический нуль, на входах логического элемента 17 две логических единицы, на ее выходе логический нуль, а на выходах логических элементов 12, 18 и входах транзисторных ключей 8, 9 логические единицы. При этом транзисторные ключи 8, 9 открываются, подавая ток форсировки через резисторы 13, 14 на управляющий электрод высоковольтного тиристора 1, вызывая его быстрое открытие. Длительность тока форсировки определяется временем разряда конденсатора 20 через резистор 19, после чего на входе логического элемента 17 появляется логический нуль, на ее выходе логическая единица, а на выходе логического элемента 18, а входе транзисторного ключа 8 логический нуль. Транзисторный ключ 8 закрывается, ток через резистор прекращается, форсировка снимается, и в дальнейшем по управляющему электроду тиристора протекает номинальный ток управления через транзисторный ключ 9, длительность которого равна длительности сигнала на выходе СИФУ.
Таким образом, на выходе устройства управления высоковольтным тиристором сформирован сигнал требуемой формы и длительности без использования развязывающего трансформатора в канале прохождения импульса управления тиристором с цифровой системы управления. Применение оптоволоконной развязки в цепи прохождения сигнала управления высоковольтным тиристором исключает появление помехи на данный высоковольтный тиристор от работы других фаз преобразователя через емкостные связи изоляции, повысив также надежность его работы.
Выполнение развязывающего трансформатора в цепи питания устройства, размещаемого обычно непосредственно у тиристора в высоковольтной его части, с одной токовой обмоткой сокращает габаритные размеры развязывающего трансформатора и позволяет увеличить воздушные зазоры между элементами, также повысив надежность работы преобразователя.
Заявляемое устройство управления высоковольтными тиристорами прошло испытания в составе устройства УБПВД-С плавного пуска высоковольтных электродвигателей, по результатам которых принято решение о внедрении его в производство.