Метод импульсно-фазового управления тиристорами. Основные требования, предъявляемые к системам управления

Лекция№9

Системы фазового управления и автоматического регулирования тиристорных сварочных выпрямителей

МЕТОД ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРАМИ. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СИСТЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

Тиристор является вентилем с ограниченной управляе­мостью. Действие управляющего электрода сводится к управлению моментом включения тиристора. Это свойство тиристоров легло в основу распространенного в настоящее время метода импульсно-фазового управления тиристорами, суть которого заключается в следующем.

Система управления тиристорами создает синхронизированную с сетью многофазную систему управляющих импульсов и осуще­ствляет сдвиг фазы фронтов импульсов относительно напряжения сети. Фронты импульсов системы управления включают тиристоры, а изменением фазы фронтов импульсов осуществляется фазовое регулирование выходных параметров сварочных выпрямителей.

Для нормальной работы сварочного выпрямителя система им­пульсно-фазового управления (СИФУ) должна удовлетворять сле­дующим требованиям:

1. Параметры импульсов управления должны обеспечивать га­рантированное включение любого тиристора выбранного типа в заданном диапазоне температур работы сварочного выпрямителя. При этом ток, напряжение и скважность импульсов должны быть выбраны в строгом соответствии с диаграммой управления вы­бранного типа тиристора (см. гл. 2). Длительность импульсов не­пременно должна быть достаточной для нарастания прямого тока тиристора от нуля до значения удерживающего тока с учетом за­данного характера нагрузки выпрямителя.

Кроме того, в схемах выпрямления, где два тиристора рабо­тают одновременно, длительность импульса должна быть выбрана с учетом дополнительного фактора—условия вхождения тиристоров в работу [9]. Так, для нормальной работы шестифазной схемы с уравнительным дросселем длительность (ширина) импульса должна быть не менее 30°, а в трехфазной мостовой схеме — не менее 60° (в последнем случае возможна также подача сдвоенных узких импульсов со сдвигом 60°).

Импульсы управления должны иметь крутой передний фронт, чтобы исключить разброс моментов включения тиристоров из-за разброса их входных характеристик.

2. СФУ должна обеспечивать определенную очередность вклю­чения тиристоров в схеме выпрямления. Интервалы между управ­ляющими импульсами, подаваемыми на очередные вентили схемы выпрямления, равны w Т/т, где w и T—угловая частота и период напряжения сети; т— число фаз схемы выпрямления, равное ча­стоте пульсаций выпрямленного напряжения.

Отклонение интервалов между импульсами от значения, равно­го w Т/т, называется асимметрией управляющих импульсов.

Асимметрия импульсов приводит к неравномерной загрузке тиристоров, к появлению низкочастотных составляющих в кривой выпрямленного напряжения, к ухудшению работы силового транс­форматора. Наиболее опасна асимметрия импульсов в шестифазной схеме выпрямления с уравнительным дросселем: в последнем по­является постоянный поток намагничивания и резко возрастает на­магничивающий ток. Складываясь с анодными токами тиристоров одной трехфазной группы и вычитаясь из токов другой группы, намагничивающий ток обусловливает резко неравномерную за­грузку этих групп.

3. Диапазон изменения фазы управляющих импульсов должен соответствовать схеме выпрямления и характеру нагрузки. Напри­мер, в трехфазной мостовой схеме выпрямления и шестифазной схеме с уравнительным дросселем при полном регулировании вы­ходного напряжения диапазон изменения фазы управляющих им­пульсов должен быть 0—120° при активной нагрузке и 0—90° при индуктивной.

4. Сигналы помех, генерируемые в СФУ, а также наводимые из силовой сети или схемы выпрямителя, должны быть меньше допу­стимых, указанных на диаграммах управления значений, при кото­рых может происходить срабатывание тиристоров при заданных температурах.

5. Так как сварочный выпрямитель, как правило, представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, то с учетом специфики нагрузки (сварочная дуга) СФУ должна обла­дать высоким быстродействием.

6. Сварочный выпрямитель является массовым и недорогим аппаратом, СФУ—самый многоэлементный и слабый узел сва­рочного выпрямителя. Поэтому наряду с перечисленными тех­ническими требованиями стоимость, надежность и ремонтоспособность зачастую являются определяющими факторами при разра­ботке СФУ сварочных выпрямителей.

5-2. ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ

Система импульсно-фазового управления m-фазного тиристорного выпрямителя состоит в общем случае из m-каналов управления и содержит входное, фазосдвигающее, промежуточное и выходное устройства. Наличие всех элементов СФУ не обяза­тельно, функции отдельных элементов могут быть совмещены в одном элементе или выражены неявно.

Входное устройство осуществляет привязку СФУ к сети пере­менного тока, от которой питается силовая схема выпрямления. Простейшим входным устройством является трансформатор. Пер­вичная обмотка входного трансформатора подключается к силовой сети, а со вторичных обмоток на каналы управления снимается синхронизированное с сетью переменное напряжение. Входные на­пряжения, поступающие на каналы управления, сдвинуты отно­сительно друг друга на угол w Т/т. Имеются и другие входные устройства, которые генерируют собственную систему входных на­пряжений, синхронизированную с моментами прохождения сетевого напряжения через нулевые значения. Фазосдвигающее устройство обеспечивает изменение фазы управляющих импульсов относительно напряжения сети. В зави­симости от способа построения фазосдвигающих устройств СФУ разделяют на одноканальные и многоканальные.

При одноканальном способе управления для всех каналов уп­равления имеется одно фазосдвигающее устройство. С его выхода управляющие сигналы распределяются на промежуточные и вы­ходные элементы каждого канала через различные коммутаторы. Одноканальные схемы, как сложные и недостаточно надежные, в сварочных выпрямителях применения не нашли. При многоканальном способе управления сдвиг импульсов в каждом канале осуществляется отдельным фазосдвигающим уст­ройством.

Однако наиболее простыми, надежными и экономичными яв­ляются СФУ, в которых одно фазосдвигающее устройство исполь­зуется в канале, предназначенном для управления двумя противо­фазными тиристорами.

В зависимости от типа элементов, на которых построены фазосдвигающие устройства, их разделяют на схемы с магнитными усилителями, транзисторные схемы «вертикального» управления и другие.

Схемы фазосдвигающих устройств, основанные на использова­нии магнитных усилителей с самонасыщением, нашли ограничен­ное применение в сварочных выпрямителях. Основные недостатки схем с магнитными усилителями обусловлены низкой симметрией управляющих импульсов, связанной с неидентичностью магнитных характеристик сердечников, и ограниченным быстродействием.

Транзисторные схемы «вертикального» управления практиче­ски безынерционны. Принцип «вертикального» управления заклю­чается в сравнении на нелинейном элементе—узле сравнения— переменного напряжения, поступающего с входного устройства, с некоторым постоянным напряжением. В качестве нелинейного элемента обычно используется эмиттерный переход транзистора. Формирование управляющих импульсов происходит в момент ра­венства сравниваемых напряжений.

В качестве переменного напряжения может быть использовано синусоидальное напряжение, поступающее с входного трансфор­матора, или пилообразное напряжение, поступающее со специаль­ного генератора. Регулирование фазы импульсов может произво­диться как путем изменения значения постоянного напряжения, так и путем изменения скорости нарастания на генераторе пило­образных напряжений.

Промежуточное устройство осуществляет предварительное уси­ление сигналов, поступающих с фазосдвигающего устройства. На­иболее часто в качестве промежуточного устройства используются транзисторные усилители, работающие в ключевом режиме.

Транзисторный усилитель обычно является одновременно узлом сравнения фазосдвигающего устройства: на вход усилителя по­ступает разность постоянного и переменного напряжений.

Поскольку скорость нарастания переменного напряжения на входах усилителей ограниченна и имеется разброс в порогах их срабатывания, существует некоторый разброс в моментах сраба­тывания усилителей, приводящий к временной асимметрии управ­ляющих импульсов.

Для снижения асимметрии управляющих импульсов целесооб­разно повышать коэффициент усиления транзисторного усилителя и снижать собственное время его переключения. Поэтому в проме­жуточных устройствах обычно используются усилители с положи­тельной обратной связью или блокинг-генераторы, последние из-за низкой помехоустойчивости широкого применения в сварочных выпрямителях не получили.

Выходное устройство окончательно формирует импульсы управления и передает их на управляющие электроды силовых тиристоров.

Ввиду того что в сварочных выпрямителях катоды силовых ти­ристоров обычно находятся под разными потенциалами, для пода­чи импульсов на управляющие электроды силовых тиристоров обы­чно используются изолирующие импульсные трансформаторы. Применение таких трансформаторов затрудняет передачу широких импульсов, приводит к снижению крутизны передних фронтов импульсов, требует защиты полупроводниковых элементов канала от перенапряжений, возникающих при свободном спадании маг­нитного потока, накопленного в разделительном трансформаторе во время импульса.

Следует отметить, что импульсные трансформаторы передают на управляющие электроды тиристоров однополярные импульсы. При этом импульсные трансформаторы работают на частном не­симметричном гистерезисном цикле, в диапазоне индукций от оста­точной В, до насыщения Bs. Поэтому в качестве материала для магнитопроводов импульсных трансформаторов может быть реко­мендована холоднокатаная электротехническая сталь, обладающая высокой магнитной проницаемостью и большим рабочим диапазо­ном индукций Дб == Bs — Вт.

В силовых схемах выпрямления, где катоды всех тиристоров объединены (например, шестифазная схема с уравнительным дрос­селем) имеется возможность подачи импульсов на управляющие электроды без импульсных трансформаторов. Такие устройства сво­бодны от отмеченных ранее недостатков.

Выходное устройство обычно содержит токоограничавающий элемент — резистор или конденсатор, зашунтированный разрядным резистором. Параметры этого элемента выбираются в строгом со­ответствии с диаграммой управления тиристоров данного типа.

Часто выходные устройства снабжаются дополнительными ис­точниками питания, позволяющими усилить импульсы управления и увеличить их длительность. Обычно такие источники питания выполняют одновременно и функции коммутаторов, распределяю­щих импульсы на два противофазных силовых тиристора.

В качестве ключа, определяющего фазу управляющих импуль­сов, в таких источниках используются транзисторы или маломощ­ные тиристоры, управление ^кото^ыми производится с промежуточ-• ного устройства.

Управляющие импульсы в выходных устройствах с дополни­тельными источниками обычно имеют форму отрезков полуволны