ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время разработано большое количество систем управления тиристорами, число которых непрерывно возрастает. Это обусловлено широким развитием силовой полупроводниковой техники и постоянным расширением областей ее применения.

Современные системы управления тиристорными преобразователями выполняются на основе полупроводниковых и магнитных элементов. С развитием микроэлектроники широкое применение в СУ находят различные типы гибридных и интегральных полупроводниковых схем. В качестве магнитных элементов преимущественно используются импульсные трансформаторы, применяемые для развязки цепей системы управления и силовой части выпрямителя.

Замена отдельных полупроводниковых элементов (транзисторов, диодов, стабилитронов и др.) интегральными схемами (ИС) позволяет получить существенный технико-экономический эффект: улучшить технические характеристики и повысить надежность тиристорных преобразователей, унифицировать отдельные функциональные узлы, уменьшить массу и габариты систем управления.

1 Литературный обзор

Системы импульсно-фазового управления (СИФУ) предназначены для изменения углов а открывания тиристоров в функции входного управляющего сигнала в диапазоне, определяемом типом, условиями работы и параметрами нагрузки. Требования к СИФУ заключаются в обеспечении необходимого диапазона изменения углов а, формировании отпирающих тиристоры импульсов и обеспечении достаточной симметрии углов включения тиристоров в различных фазах. Кроме того, СИФУ должна быть устойчивой к помехам для обеспечения стабильной работы и вместе с тем достаточно быстродействующей для обеспечения заданных динамических режимов.  

Одним из наиболее эффективных способов повышения статической и динамической точности систем импульсно-фазового управления (СИФУ) вентильными преобразователями (ВП), а также их помехоустойчивости являются методы интегрирующего развертывающего преобразования.

1.1 Классификация систем импульсно-фазового управления

Системой управления (СУ) (ВП) называется устройство, предназначенное для формирования импульсов управления и регулирования длительности открытого состояния силовых ключей ВП  в функции сигнала управления. Системы управления ВП делятся на ведомые и автономные. В литературных источниках системы управления ведомыми преобразователями получили название систем импульсно-фазового управления (СИФУ).

СИФУ, независимо от функционального назначения вентильного преобразователя (выпрямитель, инвертор и т.д.), имеют многообразие вариантов технической реализации, которые могут быть сведены к базовым принципам построения,  указанным в классификационной таблице, изображенной на рисунке 1.

Рисунок 1 – Классификация систем импульсно-фазового управления вентильными преобразователями

В зависимости от числа фаз напряжения сети и конфигурации силовой схемы вентильного преобразователя СИФУ подразделяются на однофазные и многофазные. К первой группе относятся СИФУ, управляющие работой,  например,  однополупериодным или двухполупериодным мостовым выпрямителем. СИФУ, входящие в состав ВП, где силовой блок выполнен, например, по трехфазной мостовой или трехфазной схеме с нулевым выводом относятся к разряду многофазных.

По характеру взаимодействия СИФУ с напряжением сети различают многоканальные и одноканальные синхронные,  а также асинхронные системы импульсно-фазового управления.

1.1.1 Многоканальные синхронные СИФУ

Многоканальными синхронными СИФУ называются такие системы,  где каждый из ее каналов синхронизирован с соответствующей фазой напряжения сети. Количество каналов синхронизации подобной СИФУ соответствует числу фаз напряжения сети. Обобщенная функциональная схема многоканальной синхронной системы импульсно-фазового управления на примере тиристорного выпрямителя показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Обобщенная функциональная схема многоканальной синхронной СИФУ трехфазным нереверсивным тиристорным преобразователем

СИФУ содержит устройства синхронизации (УС1–УС3),  генераторы опорных напряжений (ГОН1–ГОН3), компараторы (К1–К3), блок ограничения углов (БОУ),  формирователи импульсов управления силовыми тиристорами (ФИ1–ФИ3), распределитель (РИ) и усилитель мощности (УМ) импульсов управления.

В многоканальных синхронных СИФУ каждый канал синхронизирован с напряжением соответствующей фазы напряжения сети и является по отношению к ней ведомым каналом преобразования информативного входного сигнала в интервал времени (угол управления α). 

Из всех возможных вариантов СИФУ многоканальные синхронные системы обладают максимальным быстродействием.  Их основным недостатком является взаимная асимметрия импульсов управления по каждому из каналов, обусловленная естественным разбросом характеристик их элементов,  а также степенью искажения параметров напряжения сети.

1.1.2 Одноканальные синхронные СИФУ

Одноканальные синхронные СИФУ отличаются тем, что в них с напряжением сети (независимо от числа фаз)  синхронизирован только один канал управления, который является ведущим, а все последующие – формируют импульсы управления тиристорами путем отсчета заданного интервала времени от базовой точки, за которую принимается момент времени образования управляющего импульса на выходе ведущего канала преобразования (необходимо отметить, что для однофазных однополупериодных ТП понятия одноканальная и многоканальная СИФУ совпадают). 

В структуре на рисунке 3 ведущим является канал фазы А, который по составу функциональных блоков и принципу их действия не отличается от любого из каналов ранее рассмотренной многоканальной синхронной СИФУ.

Рисунок 3 – Обобщенная функциональная схема одноканальной синхронной

системы импульсно-фазового управления трехфазным нереверсивным ТП

Импульсы управления в остальных каналах формируются при помощи счетной схемы, выполненной, например, на основе счетчика (СТ), генератора счетных импульсов (G) и дешифратора (DC). При появлении на выходе ФИ1 переднего фронта импульса счетчик СТ обнуляется, и начинается счет импульсов с выхода генератора G. При достижении чисел N1, N2,  соответствующих заданному интервалу времени, на выходе СТ дешифратор DC последовательно запускает ФИ2–ФИ3 фаз В и С.  Заданные интервалы времени, формируемые счетной схемой, зависят от силовой схемы выпрямления. Синхронизаторы УС2–УС3 фаз В, С выполняют вспомогательную роль,  связанную с распределением управляющих импульсов по тиристорам БСК, и в некоторых случаях могут отсутствовать. Угол регулирования определяется величиной сигнала управления U_упр на входе ФСУ.

1.1.3 Одноканальные асинхронные СИФУ

В асинхронных СИФУ отсутствуют узлы синхронизации ФСУ с сетью, а регулирование длительности открытого состояния силовых ключей производится под действием сигнала рассогласования (разности) между сигналом управления и сигналом с выхода ДОС. В результате этого начальное положение импульса управления (угла α), в рамках отведенного диапазона регулирования, до включения ВП носит произвольный характер, что может привести к броску выходной координаты ВП, и, следовательно, накладывает жесткие требования на быстродействие контура обратной связи ВП. По этой причине асинхронные системы управления не получили широкого распространения для управления тиристорными преобразователями,  а, главным образом, используются для управления, например, преобразователей постоянного напряжения,  автономных инверторов напряжения,  управляемых выпрямителей напряжения.

В состав асинхронных СУ (рисунок 4) обязательно входит модулятор (вместо ФСУ), состоящий из генератора опорного напряжения ГОН и компаратора К.

Рисунок 4 – Обобщенная функциональная схема асинхронной системы

управления вентильным преобразователем

БСК таких СУ обязательно выполняется на полностью управляемых ключах,  например,  транзисторах или запираемых тиристорах,  питание которых осуществляется от источника постоянного напряжения. Ключи БСК управляются от распределителя импульсов РИ,  частота которых задается ГОН, например, пилообразной формы. Длительности открытого состояния силовых ключей регулируется за счет «вертикального»  смещения сигнала развертки с выхода ГОН под действием сигнала рассогласования. Усиление импульсов управления осуществляется специальной схемой,  которая в литературных источниках получила название драйвера.

1.2 Функции СИФУ

Данный тип реализации управления технологическим процессом выполняет следующие функции:

- определение моментов времени, в которые должны открываться те или иные конкретные тиристоры; эти моменты времени задаются сигналом управления, который поступает с выхода САУ на вход СИФУ;

- формирование открывающих импульсов, передаваемых в нужные моменты времени на управляющие электроды тиристоров и имеющих требуемые амплитуду, мощность и длительность.

Изменением фазы переднего фронта управляющего импульса относительно переменного анодного напряжения можно осуществить регулирование выходного напряжения преобразователя.

Типовые СИФУ по принципу управления делятся на системы с «вертикальным» и «горизонтальным» управлением.

В системах с «вертикальным»  управлением сигнал развертки (или входной сигнал) смещаются друг относительно друга в вертикальной плоскости (рисунок 5, а). При этом приращению ∆U_упр соответствует приращение ∆α угла регулирования (длительности открытого состояния) ключами БСК. 

В системах с «горизонтальным»  управлением сигнал пилообразной развертки смещается относительно порогового значения «b» в горизонтальной плоскости (рисунок 5, б), либо имеет зависимую от входного воздействия крутизну нарастающего фронта (рисунок 5, в).

Рисунок 5 – Временные диаграммы сигналов при «вертикальном» и

«горизонтальном» принципах управления СИФУ

В СИФУ с программным управлением ФСУ как таковое отсутствует, а угол управления БСК задается программным путем по заранее заданному закону регулирования.

По принципу построения БСК системы импульсно-фазового управления подразделяются на нереверсивные и реверсивные.  В нереверсивных ВП выходное напряжение (ток) имеет только одну полярность. В реверсивных ВП выходная координата преобразователя может быть по знаку как положительной, так и отрицательной. 

СИФУ принято различать по принципу обработки информации и подразделять на аналоговые и цифро-аналоговые. В настоящее время большинство современных систем управления ВП реализуются программным способом на основе микроконтроллеров и чаще всего строятся по одноканальному синхронному принципу,  несмотря на присущие ему недостатки в отношении низкого быстродействия по сравнению с многоканальными синхронными системами управления.  При этом,  как правило,  используется «вертикальный»  принцип управления,  в основе которого лежит развертывающее преобразование с выборкой мгновенных значений сигнала управления.

1.3 Требования, предъявляемые к СИФУ

Система импульсно-фазового управления ТП должна создавать синхронизированную с напряжением сети систему импульсов, сдвигаемую во времени в зависимости от величины управляющего воздействия, с целью регулирования выходного напряжения (тока).

Требования, предъявляемые к СИФУ, определяются рядом факторов: 

- физическими процессами в полупроводниковых приборах;

- особенностями самой схемы преобразователя; 

- особенностями нагрузки.

Таким образом, СИФУ должна обеспечивать:

- достаточную амплитуду и ток управляющих импульсов, выбираемую

для тиристоров по диаграмме управления;

- достаточную крутизну управляющих импульсов (крутизна особенно важна при параллельном и последовательном соединении тиристоров);

- требуемый диапазон регулирования угла управления в зависимости от назначения преобразователей;

- достаточную длительность управляющих импульсов:

а)  с точки зрения физики работы тиристора – 20 мкс;

б) исходя из особенностей схемы, в трехфазной мостовой схеме требуется определенная длительность импульсов, или нужно применять сдвоенные импульсы;

в) исходя из особенностей нагрузки,  при активно-индуктивной нагрузке с большой индуктивностью необходимо применять длинные импульсы;

- гальваническое разделение выхода СИФУ и управляющего перехода силового тиристора;

- достаточное быстродействие, чтобы за время до включения очередного тиристора в полном диапазоне сдвинулся управляющий импульс;

- достаточную симметрию управляющих импульсов;

- высокую помехоустойчивость как со стороны информационного входа,  так и со стороны сети.

В СИФУ применяются управляющие импульсы малой и большой длительности,  а также импульсы с высокочастотным заполнением (импульсный «пакет»).

Импульсы малой длительности (рисунок 6, а), как правило, имеют довольно малое значение. Усилители мощности сигналов управления большой длительности (рисунок 6, б), в первую очередь характеризуются высокими массогабаритными показателями импульсного трансформатора.  Для устранения данного недостатка применяются импульсы с высокочастотным заполнением (рисунок 6, в).

Рисунок 6 – Формы импульсов управления тиристорами

Быстродействие системы управления тиристорными преобразователями является одним из важнейших ее показателей. С целью достижения максимального быстродействия преобразователя СИФУ выполняются практически безынерционными.

Наиболее распространенными являются многоканальные синхронные системы управления тиристорными преобразователями, построенные по вертикальному принципу. В синхронных СИФУ отсчет угла a выполняется от моментов естественного отпирания для каждого плеча моста (или для каждой пары противофазных плеч). Синхронизация с питающей сетью заключается в том, что управляющие импульсы для каждого тиристора тиристорного преобразователя генерируются в диапазоне, жестко связанном с периодичностью повторения анодного напряжения.

Особенностью многоканальных СИФУ является то, что формирование и фазовый сдвиг импульсов осуществляется в отдельном канале для каждого вентильного плеча многофазного тиристорного преобразователя.

Структурно система импульсно-фазового управления состоит из компаратора, усилителя-формирователя и импульсного трансформатора. На вход компаратора поступают опорное напряжение и управляющее напряжение с выхода регулятора тока. Компаратор формирует двухполярное напряжение переменной скважности, которая зависит от уровня и знака управ­ляющего напряжения. Компаратор строится на аналоговом интегральном усилителе без обратных связей.

Усилитель-формирователь преобразует напряжение на вы­ходе компаратора в серию однополярных узких импульсов постоянной амплитуды и ширины, фаза импульсов зависит от величины скважности сигнала на выходе компаратора. Усили­тель-формирователь строится на биполярных транзисторах и резистивно-емкостных цепях.

Импульсный трансформатор гальванически разделяет силовую часть преобразователя и систему управления.

Таким образом, система импульсно-фазового управления преобразует двухполярное аналоговое напряжение на выходе регулятора тока в серию импульсов прямоугольной формы, поступающих на управляющие электроды тиристоров в требуемой фазе.