Системы управления полупроводниковыми аппаратами

6.1 ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

Вопросы, связанные с управлением тиристорами и полупроводниковыми аппаратами различного типа, неоднократно рассматривались в предшествующих разделах. Задача настоящего раздела заключается в том, чтобы сформулировать общие принципы выбора типа необходимой схемы системы управления, исходя из конкретных условий работы аппарата, его назначения, номинальных параметров, требований к надежности.

Главным требованием к источнику управляющих сигналов является обеспечение правильной работы тиристоров в силовых блоках аппаратов. Обращаясь к характеристике цепи управления тиристора, это требование можно сформулировать более конкретно: надежность тиристора обеспечивается, если выходные параметры источника управления соответствуют области токов и напряжений диаграммы его управления, называемой областью гарантированного включения.

На рисунке 2.15 показана одна из возможных нагрузочных характеристик источника управляющих сигналов (линейная характеристика 3). Выбор конкретных значений I_GT и U_GT и, следовательно, требования к выходным параметрам источника управления зависят от того, в каких режимах работы и в какой схеме предполагается использовать тиристор.

Например, неодинаковые требования предъявляются к управляющим сигналам, с помощью которых обеспечивается включение основного тиристора VS₁ и коммутирующего VS₂ ‚ в аппарате постоянного тока. Если нагрузка активно-индуктивная, а ток и напряжение коммутируемой цепи не являются предельными для тиристора VS₁, включение его можно осуществлять сигналом небольшой мощности, т. е. с параметрами I_GT и U_GT, которые соответствуют длительному управлению. Никаких других требований, в том числе к скорости нарастания I_GT, не предъявляется, для управления тиристором VS₂, который работает в режиме многократной перегрузки по току и, как правило, при предельных значениях по скорости нарастания анодного тока, требования к управляющему току (напряжению) повышаются.

Во-первых, длительность его не должна превышать длительность коммутационного процесса, заканчивающегося перезарядкой конденсатора. Во-вторых, для повышения стойкости тиристора к эффекту (di/dt)_crit необходимо обеспечивать его включение импульсом тока с большой амплитудой и с крутым фронтом.

Еще более высокие требования к источникам управляющих сигналов предъявляются при групповом (параллельном, последовательном или смешанном) соединении тиристоров в силовых блоках. В этом случае возникают сложные проблемы не только с формированием импульсов тока (напряжения) с определенными параметрами, но и с гальваническим разделением силовой и управляющей цепей, синхронизацией поступления сформированных импульсов с заданными моментами времени. В результате значительно усложняется и реализующая перечисленные функции схема, которую в дальнейшем будем называть системой управления (СУ).

К настоящему времени разработаны и находят применение весьма разнообразные по исполнению и принципу действия СУ, что объясняется широкой номенклатурой полупроводниковых аппаратов, а также большим числом различных приборов и устройств автоматики, на основе которых возможно построение системы управления. Тем не менее, все существующие системы управления тиристорами и тиристорными аппаратами можно разделить на следующие виды:

1. Электронные, выполненные на базе транзисторов, динисторов, маломощных и мощных тиристоров, интегральных микросхем, микропроцессоров.

2. Электромагнитные, построенные на основе магнитных усилителей, пик-трансформаторов, насыщающихся дросселей, трансформаторов тока, трансформаторов напряжения и др.

3. Комбинированные, включающие в себя элементы первых двух групп в различных сочетаниях.

В зависимости от назначения аппарата и схемы силового тиристорного блока СУ может быть очень простой, как, например, в контакторе переменного тока низкого напряжения (см. рисунок 3.11), или очень сложной, если она предназначена для управления тиристорным аппаратом переменного тока высокого напряжения. Различны и требования, которым СУ должны удовлетворять. Однако уже из отмеченного выше следует, что ряд требований являются общими для всех СУ. Они должны обеспечивать:

− генерирование управляющих импульсов оптимальными для заданного режима работы тиристоров амплитудой, длительностью и крутизной фронта;

− стабильность параметров формируемых импульсов во времени и при изменении температурных режимов;

− синхронизацию выдачи импульсов на управляющие электроды тиристоров с фазой тока нагрузки или с фазой напряжения питания;

− высокое быстродействие и готовность к работе.

Кроме того, СУ должны быть помехоустойчивы, иметь по возможности малые массу и габариты, потреблять небольшое количество энергии.

Как уже отмечалось, в большинстве практических случаев управление тиристорами осуществляется импульсными системами управления. Реализуемые при этом преимущества значительны, но одновременно появляются и сложности в выборе оптимальных параметров импульсов тока, и прежде всего в выборе достаточной длительности их.

Наиболее важные факторы, влияющие на выбор длительности импульса управления, иллюстрирует рисунок 6.1 и 6.2. На рисунке 6.1 показана взаимосвязь длительности тока управления и скорости нарастания анодного тока тиристора. При большой индуктивности в коммутируемой цепи процесс нарастания тока сильно затягивается и это требует поддержания управляющего сигнала в течение времени, значительно превышающего собственное время включения тиристора. При недостаточной длительности управляющего сигнала анодный ток тиристора не успевает достичь значения тока надежного включения (i_L, на рисунке 6.1) и тиристор снова выключается. Особую опасность режим ненадежного включения представляет, если тиристоры в силовом блоке аппарата соединены параллельно или последовательно. В этом случае не включение одного или нескольких из параллельно соединенных приборов приводят к перегрузкам по току включившихся тиристоров. При последовательной работе не успевшие полностью включиться тиристоры подвергаются воздействию многократных перенапряжений.

Второй фактор, влияющий на выбор длительности управляющего импульса, также связан с индуктивностью нагрузки, которая определяет разность фаз напряжения и тока в установившемся режиме работы (φ на рисунке 6.2).

Если выдачу управляющих сигналов на входы тиристоров синхронизировать с переходом напряжения источника питания через нуль, то длительность управляющего импульса должна быть увеличена на величину, определяемую возможным углом сдвига фаз φ.

Рисунок 6.1 − К пояснению ненадежного включения тиристора

Рисунок 6.2 − Управление тиристорами с синхронизацией

по напряжению

На рисунке 6.2 эта часть импульса заштрихована. Если учесть, что коммутирующие аппараты должны надежно работать при изменении угла в широких пределах (cosφ ≈ 0,2…0,9), синхронизация по напряжению, по существу, приводит к использованию для управления тиристорами импульсов большой длительности. Поэтому при нестационарной активно-индуктивной нагрузке необходимо стремиться к осуществлению синхронизации управляющих импульсов с кривой тока в нагрузке.

6.2 ПРИНЦИПЫ ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Устойчивое включенное состояние тиристорных аппаратов переменного тока обеспечивается за счет периодически поступающих на входы (управляющие электроды) тиристоров управляющих импульсов. При встречно-параллельном соединении тиристоров в силовом блоке общее число формируемых СУ управляющих импульсов должно быть равно числу тиристоров в блоке N = 2(n_Un_I). Причем N/2 из них вырабатываются со сдвигом на угол π по отношению к другим. Если аппарат предназначен только для выполнения функции коммутирования цепей, начала импульсов должны быть синхронизированы с моментами перехода тока нагрузки через нулевые значения, как показано на рисунке 6.3, который иллюстрирует процесс работы одного модуля аппарата, содержащего два встречно-параллельно соединенных тиристора. Формирование управляющих импульсов можно синхронизировать с моментами перехода через нулевые значения напряжения (см. рисунок 6.2).

Но в этом случае из-за увеличения длительности импульсов возникают трудности передачи их через разделительные трансформаторы и увеличивается мощность формирователей.

Если аппарат кроме коммутационных операций должен выполнять функции регулирования проходной мощности (фазовое управление), СУ должна обеспечивать сдвиг (задержку) управляющих импульсов относительно нуля тока на заданный угол α. Простые схемы, обеспечивающие регулирование α, рассмотрены. Они приемлемы, когда тиристоры работают индивидуально, т. е. при

n_I =1. В общем случае при n_I >1 формирование, синхронизация в распределение управляющих импульсов по тиристорам осуществляются автономными от силовых цепей системами управления.

В зависимости от принципа формирования в распределения импульсы СУ подразделяются на одно- и многоканальные, а в зависимости от принципа регулирования фазы (угла задержкиα) на горизонтальные, вертикальные, цифровые.

Рисунок 6.3 − Диаграмма работы тиристорного аппарата

Горизонтальный метод управления. При горизонтальном управлении формирование управляющих импульсов осуществляется в моменты перехода синусоидального напряжения через нулевые значения. Изменение фазы импульсов обеспечивается регулированием фазы напряжения и, следовательно, смещением нулевых значений напряжения по оси времени (по горизонтали) для практической реализации этого метода в составе СУ должен быть генератор напряжения, который вырабатывает синусоидальное напряжение с той же частотой, что и напряжение, прикладываемое к тиристору, или ток, протекающий через него.

Наиболее простой является СУ, в которой в качестве генератора напряжения используются трансформатор тока или трансформатор напряжения, включенные соответственно последовательно или параллельно с тиристором, которым надо управлять.

На рисунке 6.4, а приведена структурная схема СУ, реализующая горизонтальный метод управления тиристором VS. Генератором синусоидального напряжения в ней (u_TV на рисунке 6.4, б) является трансформатор напряжения ТV.

Снимаемое со вторичной обмотки трансформатора напряжение, синхронизированное с напряжением на тиристоре, подается на фазосдвигающее устройство (ФУ), например на мостовой фазовращатель. С выхода ФУ напряжение u_ФУ, смещенное на угол φ относительно напряжения u_TV, поступает в устройство, фиксирующее переход напряжения через нулевые значения − нуль-орган (НО). Импульсами напряжения, появляющимися на выходе но, запускается формирователь управляющих им пульсов (ФИ). В результате на вход тиристора VS подается управляющий импульс напряжения u_G, задержанный относительно начала положительного полупериода анодного напряжения на угол α = φ.

Рисунок 6.4 − Структурная схема системы управления (а)

и диаграмма, поясняющая ее работу (б)

Вертикальный метод управления. При вертикальном методе управления формирование управляющего импульса осуществляется в момент равенства по абсолютной величине двух напряжений, одно из которых постоянное, а другое переменное (синусоидальное, треугольное или пилообразное). Постоянное стабилизированное напряжение, называемое напряжением управления, должно быть регулируемым, а переменное напряжение должно быть синхронизировано с напряжением на тиристоре, для которого формируется управляющий импульс.

Один из возможных вариантов исполнения СУ с использованием вертикального метода управления силовым блоком с встречно-параллельным соединением тиристоров приведен на рисунке 6.5.

Рисунок 6.5 − Структурная схема одноканальной системы

управления, реализующая принцип вертикального управления

Напряжение с тиристорного блока подается на СУ через сетевой фильтр (Ф), сглаживающий импульсные по- мехи в напряжении сети. С помощью пороговых элементов (ПЭ) синусоидальное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы с взаимным сдвигом по фазе на угол 180° и паузой δ ≈ 3…5° между окончанием одного импульса и началом следующего, которая обусловлена порогом срабатывания ПЭ1 и ПЭ2. В результате такого сдвига на входе логического элемента Э1 имеет место совпадение сигналов (логических нулей) в течение времени t = δ/ω. На выходе Э1, следовательно, формируются короткие импульсы, фиксирующие начало и конец каждого полупериода синусоидального напряжения. Эти импульсы используются для запуска генератора пилообразного напряжения (ГПН). На входе нуль-органа (НО) вырабатываемое ГПН напряжение сравнивается с напряжением управления U_y. С момента времени, когда эти напряжения становятся равными и их разность меняет знак, на выходе HO формируется прямоугольный импульс напряжения U_HO (рисунок 6.6), который подается одновременно на входы логических элементов Э2 и Э3.

На другие входы этих элементов поступают импульсы напряжения с выходов пороговых элементов ПЭ1 и ПЭ2. Срабатывание логических элементов Э2 в Э3 происходит в момент времени, начиная с которого напряжение, соответствующее логической единице, подается на оба их входа.

Поскольку импульсы напряжения на выходах пороговых элементов ПЭ1 и ПЭ2 смещены во времени на величину длительности полупериода сетевого напряжения (10 мс при f =50 Гц), каждый из логических элементов Э2 и Э3 срабатывает поочередно с частотой f. В результате обеспечивается и поочередный запуск формирователей управляющих импульсов ФИ1 и ФИ2. Задержка включения тиристоров на заданный уголα осуществляется регулированием напряжения управления (по вертикали), что приводит к смещению импульса напряжения на выход нуль-органа U_НО (рисунок 6.6) и, следовательно, на выходе логических элементов Э2 в Э3.

По структуре исполнения СУ разделяются на одноканальные и многоканальные. В одноканальных СУ все операции, связанные с синхронизацией и смещением по фазе управляющих импульсов, формируемых для всех тиристорных ветвей многоканального аппарата, реализуются в одном общем канале. Этим обеспечивается высокая фазовая симметрия управляющих импульсов в уменьшение аппаратурных затрат.

Рисунок 6.6 − К пояснению вертикального метода

фазового управления

Однако для распределения импульсов по тиристорам необходимы дополнительные устройства (регистры сдвига, кольцевые пересчетные схемы), что приводит к усложнению системы управления и ограничению ее применения.

Многоканальные системы управления. Эти системы объединяют в себе идентичные по исполнению каналы, каждый из которых содержит генератор развертки, синхронизированный с сетью, фазосмещающее устройство, пороговое устройство и формирователь. Например, для создания систем управления трехполюсным аппаратом с встречно-параллельным соединением тиристоров требуются три идентичных канала, выполненные по схеме на рисунке 6.5. Достоинством этих СУ является простота структурной схемы. Но они требуют подстройки каналов с целью их симметрирования.

Цифровые системы управления. В трехполюсных аппаратах, предназначенных для коммутирования и защиты электрических цепей, регулирования проходной мощности, СУ выполняют более сложные функции и имеют соответственно намного более сложную структурную схему, чем приведенная на рисунке 6.5. В частности, они могут содержать в себе дополнительно блок анализа сигналов, поступающих от датчика тока напряжения, блок анализа состояния тиристоров в полюсах, блок управления тиристорами узла принудительной коммутации и др.. Очевидно, что в этом случае СУ, построенная на основе аналоговых интегральных микросхем общего назначения, становится очень сложной и надежность ее снижается. Одним из способов повышения надежности СУ является применение специальных микросхем, реализующих функции одного канала или даже нескольких каналов.

Перспективным направлением создания универсальных СУ -является использование цифровых интегральных микросхем. Это предполагает переход от оперирования с аналоговыми сигналами (изменяющимися по закону непрерывной функции) к оперированию сигналами, изменяющимися по закону дискретной функции.

Основой цифровой СУ является микропроцессор (МП), представляющий собой программно-управляемое устройство, которое осуществляет процесс обработки цифровой информации и управление им. В зависимости от выполняемых СУ функций микропроцессор строится на одной или нескольких больших интегральных микросхемах (БИС), для которых характерна очень высокая степень интеграции. В одной БИС содержится несколько тысяч или даже десятки тысяч различных элементов.

Для осуществления связи микропроцессора с датчиками тока и напряжения, формирователями управляющих им пульсов, исполнительными органами защиты необходимы устройства сопряжения (устройства ввода-вывода). В данном случае такими устройствами являются аналого-цифровое (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи. С помощью АЦП аналоговые электрические сигналы преобразуются в цифровые данные (коды), с которыми оперирует микропроцессор. Вырабатываемые им команды в цифровых кодах преобразуются в аналоговые сигналы с помощью ЦАП и после этого поступают на исполнительные органы. Совокупность микропроцессора, средств сопряжения и программного обеспечения называется микропроцессорной системой.

Рисунок 6.7 − Структурная схема микропроцессорной

системы управления

Программное обеспечение - это последовательность команд, которые хранятся в запоминающем устройстве и реализуют требуемую последовательность операций.

В упрощенном виде структурная схема СУ на основе микропроцессора приведена на рисунке 6.7. Микропроцессор в ней представлен четырьмя блоками: регистром команд (РК), устройством управления (УУ), арифметически-логическим устройством (АЛУ) и запоминающим устройством (ЗУ). Связь МП с силовым тиристорным блоком (СТБ) и формирователем управляющих импульсов (ФУИ) осуществляется через АЦП (ввод данных) и ЦАП (выдача команд). Подробно микропроцессорные СУ рассмотрены в работах.

6.3 ТРАНЗИСТОРНЫЕ И ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ В АППАРАТАХ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В аппаратах низкого напряжения, предназначенных для выполнения простых функций (коммутирование цепей, фазовое регулирование), широкое распространение нашли схемы управления тиристорами, выполненные на основе транзисторов и трансформаторов с насыщающимися магнитопроводами. Характерным для этих схем являются простота конструкции, высокая надежность и низкая стоимость.

Транзистор, как управляемый элемент, может быть использован в качестве формирователя импульсов, усилителя, фазового инвертора, логического элемента, порогового элемента при преобразовании выходных сигналов различных датчиков. Малая входная мощность, необходимая для схем управления на транзисторах, подается обычно с индикаторных цепей или с других цепей с большим выходным сопротивлением.

Широкими возможностями обладают транзисторные схемы в отношении формирования выходных сигналов с заданными параметрами импульсов. Причем схемы, реализующие одни и те же функции, могут быть выполнены на транзисторах различного типа и вида: РNР -типа, NРN -типа, однопереходных транзисторах, полевых оптронных транзисторах и др. Поэтому существует большое число разнообразных вариантов схем управления и отдельных их узлов, синхронизирующих устройств.

Тем не менее, большинство из них можно отнести к уже известным типовым схемам, таким, как мультивибратор с одним или двумя устойчивыми состояниями, блокинг-генератор, триггер Шмита и др.

Мультивибратор с одним устойчивым состоянием применяется для формирования прямоугольных импульсов с заданной длительностью (рисунок 6.8). Длительность импульса определяется выбором постоянной времени перезарядки конденсатора С. Для запуска схемы можно использовать короткие синхронизирующие импульсы. Схема сама возвращается к исходному состоянию.

Рисунок 6.8 − Схема транзисторного формирователя

прямоугольных управляющих импульсов

Если сделать симметричные перекрестные связи между базой и коллектором транзисторов VT₁ и VT₂, то мультивибратор будет иметь два устойчивых со стояния: включенный транзистор VT₁ и выключенный VТ₂ или выключенный VT₁ и включенный VТ₂. Входные сигналы чередующейся полярности при этом необходимо подавать на базовый вывод транзистора VT₁ или VТ₂.

Мультивибраторы с двумя устойчивыми состояниями способны включаться каскадно, как это происходит в кольцевых счетчиках. При таком режиме работы обеспечивается возможность сдвига выходных импульсов на заданную величину для управления тиристорами в многополюсном исполнении.

Аналогичные функции могут выполнять транзисторные схемы блокинг-генератора и триггера Шмитта. Поскольку триггер Шмитта генерирует импульсы с очень малым временем нарастания, он может использоваться в качестве выходного формирователя управляющих импульсов, при жестких требованиях к крутизне их фронта, например при управлении параллельно соединенными тиристорами.

На рисунке 6.9 приведена простая схема управления аппаратом переменного тока, выполненным на базе симистора VS. Источником напряжения управления в схеме является двусторонний стабилитрон VD. Транзистор VT включен в диагональ выпрямительного моста, что позволяет обеспечивать протекание тока управления через него при изменении полярности напряжения на симисторе. Включение и отключение схемы осуществляются соответственно подачей напряжения смещения на базу транзистора и его снятием.

Применение трансформаторов дросселей с насыщающимися магнитопроводами в системах управления аппаратами переменного тока обусловлено способностью этих магнитопроводов резко изменять индуктивное сопротивление обмоток. В зависимости от цели применения магнитопровод трансформатора может быть выполнен из материала с прямоугольной петлей гистерезиса или из магнитомягких материалов, у которых коэрцитивная сила Н С составляет десятые доли ампера на сантиметр.

В схеме, показанной на рисунке 6.10, трансформатор Т с магнитопроводом из материала с прямоугольной петлей гистерезиса включен в управляющую цепь последовательно с диодом VD1 и резисторами R₁ и R₂. Если магнитопровод трансформатора насыщен, индуктивное сопротивление x_p его вторичной обмотки ω_p мало и им можно пренебречь.

Рисунок 6.9 − Схема управления симметричным

тиристором

Рисунок 6.10 − Схема управления на основе трансформа-

тора с насыщающимся магнитопроводом

Поэтому в положительный полупериод напряжения (когда диод VD₁ смещен в прямом направлении) прикладываемое к тиристору и, соответственно к управляющей цепи напряжение распределяется между резисторами R₁ и R₂. При R₁>>R₂ большая часть напряжения падает на резистор R₁. Напряжение на резисторе R₂ в этом состоянии недостаточно для того, чтобы включить тиристор VS. Если в отрицательный полупериод приложить сигнал (+) к управляющей обмотке трансформатора, как это показано на рисунке 6.10, то магнитопровод будет выведен из состояния насыщения. В начале следующего положительного полупериода в течение времени, пока магнитопровод вновь намагничивается до состояния насыщения, индуктивное сопротивление обмотки остается большим и на нем поддерживается напряжение, в несколько раз большее, чем при насыщенном магнитопроводе. Конденсатор С при этом заряжается под воздействием суммарного напряжения u_C=u_P+u_R1. По достижении в магнитопроводе трансформатора насыщенного состояния сопротивление обмотки ω_P резко уменьшается и конденсатор С начинает разряжаться на резистор R₂ и входную цепь тиристора VS, обеспечивая его включение. Таким образом, трансформатор, по существу, играет роль бесконтактного коммутатора цепи управления тиристора VS. Для периодического включения тиристора VS необходимо в интервале каждого отрицательного полупериода выводить магнитопровод трансформатора Т из насыщения с помощью управляющего импульса напряжения, подаваемого, например, от синхронизирующего устройства. Выбор параметров трансформатора и соотношения сопротивлений резисторов R₁ и R₂ производится исходя из того, что необходимое падение напряжения на управляющем электроде должно обеспечиваться в самом начале полупериода приложенного к тиристору VS напряжения. Методика такого расчета приведена в работе.

Трансформаторы с насыщающимися магнитопроводами используются также в качестве синхронизирующих устройств в системах управления тиристорными аппаратами. Принцип реализации такого способа синхронизации поясняется функциональной схемой системы управления тиристорным блоком, которая приведена на рисунке 6.11.

Рисунок 6.11 − Схема синхронизации на основе

пик-трансформаторов

Трансформаторы Т₁ и Т₂ в ней включены последовательно с тиристорами в каждом из плеч силового блока. Это значит, что в первичных обмотках трансформаторов протекает выпрямленный пульсирующий ток. Если магнитопровод трансформатора изготовлен из магнитомягкого материала, характеристика которого имеет резко выраженную зону насыщения, то при синусоидальном токе в первичной обмотке магнитный поток меняется по трапецеидальной форме и во вторичной обмотке наводится ЭДС пикообразной (треугольной) формы. При однополупериодном выпрямлении тока, что имеет место в каждом плече тиристорного блока, разнополярные импульсные ЭДС возникают в начале полупериода тока и в конце его.

Первый положительный (условно) импульс является результатом резкого намагничивания магнитопровода до насыщения. Второй импульс соответствует выходу магнитопровода из режима насыщения в конце полупериода тока. Он фиксирует окончание проводимости тиристора в ветви и может быть использован для запуска формирователя управляющих импульсов (ФИ), с помощью которого осуществляется включение тиристора во встречно-параллельной ветви. В блоке синхронизации (БС) импульс треугольной формы преобразуется в прямоугольный или экспоненциальный (рисунок 6.12), крутой фронт которого соответствует моменту перехода тока в нагрузке через нулевое значение.

Первоначальное включение силового блока осуществляется блоком запуска (БЗ) при воздействии на него импульсом напряжения U_Ввнешнего источника. Буквами БП на рисунке 6.11 обозначен блок питания.

Рисунок 6.12 − Осциллограмма тока в нагрузке импульсов синхронизации, цена одного большого деления по току −200 А; по напряжению −5 В; по времени − 5 мс

Рассмотренный способ синхронизации управления тиристорным блоком по току отличается простотой и может использоваться в аппаратах низкого и высокого напряжения.

6.4 ФОРМИРОВАТЕЛИ УПРАВЛЯЮЩИХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ ТИРИСТОРОВ

На основе различных видов тиристоров могут быть выполнены все функциональные узлы СУ, которые рассмотрены в синхронизирующие устройства, формирователи тактовых импульсов, генераторы импульсов с заданными параметрами, логические устройства, устройства сравнения электрических величин (пороговые устройства), формирователи и усилители импульсов выходных каскадов. Необходимость применения для реализации перечисленных устройств именно тиристоров должна быть обоснована сравнением с другими возможными вариантами исполнения, экономическими или техническими преимуществами.

В частности, решающими факторами в пользу применения тиристоров могут стать простота и надежность схем, совместимость с конструктивными узлами СУ, выполненными на других элементах, меньшая чувствительность к внешним помехам, высокие допустимые параметры по току и напряжению и др. Так, механизм коммутации запираемых тиристоров (включение и выключение обеспечиваются разнополярными короткими импульсами тока) предопределяет преимущество их по сравнению с транзистором в отношении затрат мощности на управление.

Для удержания во включенном состоянии транзистора на его базе должен все время быть управляющий ток. С увеличением коммутируемой мощности увеличивается и ток базы, тогда как у тиристоров управляющий ток практически не зависит от тока в анодной цепи. Наиболее эффективно применение тиристоров в выходных каскадах формирователей управляющих импульсов для тиристорных блоков большой мощности. Поэтому ниже рассмотрим примеры реализации именно этих схем.

Основным элементом формирователя-усилителя прямоугольных импульсных сигналов, представленного на рисунке 6.13, является запираемый тиристор VS₂. Его включение и выключение обеспечиваются одним импульсом тока отрицательной полярности в отношению к катоду, поступающим на зажим «Вход». При отсутствии входного сигнала тиристор VS₁ и запираемый тиристор закрыты и формирователь не потребляет энергии от источника питания. При поступлении входного сигнала на управляющий электрод тиристора VS₂ по цепи: VD₂ − управляющий электрод VS₂-R_H-R₃ − тиристор включается и на нагрузке формируется фронт выходного импульса.

После включения тиристора VS₂ к аноду диода VD₁ оказываются приложенными два напряжения: положительное напряжение источника питания через резистор R₁, так как потенциал управляющего электрода тиристора VS₂ практически равен потенциалу его катода, и отрицательное ш через резистор R₂. Диод VD₁ закрыт, пока выполняется условие

,

где R_Г − внутреннее сопротивление генератора входных

сигналов.

Поэтому до окончания воздействия входного импульса напряжения диод VD₁ смещается в обратном направлении и напряжение на управляющий электрод тиристора VS₁ не поступает. При прекращении входного импульса диод VD₁ переходит в проводящее состояние и, если R₁<(U-U_Т)I_Т, тиристор VS₁ включается. В результате сопротивление нагрузки оказывается зашунтированным, запираемый тиристор выключается, обеспечивая формирование среза выходного импульса напряжения (тока).

Схема возвращается к исходному состоянию. Коэффициент усиления по мощности, обеспечиваемый схемой, достигает значений 10⁴…10⁵. При постоянном напряжении источника анодного питания форма выходных импульсов напряжения близка к прямоугольной (импульс 1 на рисунке 6.13).

В большинстве своем современные тиристоры нечувствительны к форме управляющего сигнала, так как их полупроводниковая структура содержит собственный усилитель входных импульсов. В процессе изготовления основной структуры технологически реализуется структура дополнительного тиристора малой мощности (или транзистора), включенного в цепь управления основного тиристора.

Поэтому поступающий на управляющий электрод входной импульс должен обеспечить лишь ввод в структуру определенного заряда Q_G, достаточного для включения вспомогательного тиристора.

Последующее лавинообразное нарастание заряда в базовых областях структуры основного тиристора уже не зависит от параметров входного импульса тока. Следовательно, в данном случае к параметрам управляющих импульсов не предъявляется жестких требований. Форма импульсов может быть прямоугольной (1), трапецеидальной (2), треугольной (3), экспоненциальной (5) (рисунок 6.14).

Рисунок 6.13 − Формы управляющих импульсов

Если в тиристоре не предусмотрено внутриструктурное усиление входных импульсов тока, то возникает необходимость в формировании управляющих импульсов, параметры которых зависят от режима работы тиристора (ток, напряжение, частота, скорость нарастания анодного тока при включении) и принципиальной схемы силового блока. В частности, включение высоковольтного мощного тиристора, работающего в режиме с предельной нагрузкой или при высокой скорости нарастания анодного тока, необходимо осуществлять управляющим импульсом тока с резким фронтом и с максимально допустимой при данной длительности амплитудой.

При этом достигается увеличение первоначальной включенной области структуры тиристора и, следовательно, снижение вероятности повреждения его из-за локального перегрева, снижение коммутационных потерь энергии, уменьшение времени задержки включения.

Последний фактор имеет важное значение при последовательном или параллельном соединении тиристоров в силовом блоке для обеспечения одновременного их включения. Причем это относится и к тиристорам, имеющим собственные (внутриструктурные) усилители входных сигналов.

При заданной длительности управляющего тока его амплитудное значение ограничивается допустимой мощностью, рассеиваемой на управляющем электроде. Поэтому, если длительность импульса определяется условиями нарастания анодного тока (параметрами коммутируемой цепи) до тока включения I_L и ее уменьшать нельзя, необходимо изменять форму импульсов.

Некоторые из приемлемых форм импульсов показаны на рисунке 6.13 (импульсы 4, 5 и 6). Характерным для всех этих импульсов является высокая скорость нарастания фронта, уменьшение тока, по мере увеличения длительности импульса. Импульсы 4 и 6 получаются в результате суммирования серии коротких импульсов с убывающей амплитудой.

Необходимость в формировании таких импульсов возникает, когда надо потенциально разделить силовую цепь аппарата и систему управления. В этом случае управляющие импульсы передаются к тиристорам через изолирующие трансформаторы, которые являются одновременно элементами формирователей. Учитывая, что трансформаторы способны передавать без искажения импульсы ограниченной длительности, приходится создавать генераторы импульсов повышенной частоты (3 − 5 кГц) и серией коротких импульсов формировать управляющие импульсы с заданными параметрами.

Изменение амплитуды импульсов в серии по заданному закону (линейный, экспоненциальный) обеспечивается обычно автоматическим регулированием напряжения источника питания в процессе генерирования коротких импульсов.

Рисунок 6.14 − Схема формирователя сдвоенных импульсов

Если необходимая длительность управляющего сигнала не превышает 300…400 мкс, требуемая импульсная мощность может быть передана на управляющий электрод тиристора одним импульсом с оптимальными параметрами (импульс 5 на рисунке 6.13). Принцип формирования таких импульсов рассмотрим на примере схемы, приведенной на рисунке 6.14. Основным коммутирующим элементом в ней является тиристор VS в анодную цепь которого последовательно включены трансформаторы Т₁ и Т₂.

Оба трансформатора выполнены на ферритовых кольцевых магнитопроводах с высокой индукцией насыщения. В исходном состоянии тиристор VS закрыт, а конденсаторы С₁ и С₂ заряжены с указанной на рисунке 6.15 полярностью до напряжения источника питания. Формирование управляющего импульса происходит при поступлении на входную цепь тиристора VS сигнала, например от блока синхронизации (БС рисунок 6.11).

Тиристор включается и замыкает контуры разрядки конденсаторов С₁ и С₂. Сопротивления этих контуров неодинаковы, так как в первом из них включен только один трансформатор Т₁ и резистор R_H, а второй контур дополнительно содержит трансформатор Т₂ и резистор R₂.

Это обусловливает различные режимы работы трансформаторов по току и, следовательно, на ведение неодинаковых по форме импульсов напряжения на зажимах вторичных обмоток. На выходе трансформатора Т₁ формируется короткий импульс с большой амплитудой и высокой крутизной фронта, а на выходе трансформатора Т₂ − импульс напряжения с относительно небольшой амплитудой, но с большой длительностью.

Окончательное формирование управляющего импульса происходит в результате суммирования выходных напряжений трансформаторов Т₁ и Т₂. Практически это осуществляется встречным соединением вторичных обмоток через разделительные диоды VD1 и VD₄. Диоды VD₂ и VD₃ в схеме предназначены для разделения контуров разрядки конденсаторов С₁ и С₂. Предварительная зарядка конденсаторов осуществляется через резисторы R₁ и R₃.

Реализуемая схемой форма импульсов считается оптимальной для любых условий работы тиристоров. Но из-за относительного усложнения формирователей и увеличения их стоимости на практике такие импульсы используются только при наличии повышенных требований к параметрам управления, т. е. при групповой работе тиристоров в силовых блоках, в комбинированных аппаратах, в узлах принудительной емкостной коммутации.

6.5 СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫХ АППАРАТОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В аппаратах высокого напряжения катоды последовательно соединенных тиристоров находятся во время работы при разных напряжениях, поэтому цепь управления каждого прибора должна быть электрически изолирована от других. Практически это осуществляется использованием в цепях управления емкостной или индуктивной связи, а также применением методов управления, базирующихся на передаче энергии электромагнитными излучениями.

С последовательным соединением СПП связано еще одно требование к системе управления. Она должна обеспечивать одновременное поступление управляющих сигналов на тиристоры и с одинаковыми параметрами. Для удовлетворения этому требованию необходимо обеспечить равенство активных и реактивных сопротивлений в цепях, соединяющих управляющие электроды тиристоров выходными каскадами СУ, т. е. формирователями СУ. Сложность практического осуществления равенства полных сопротивлений состоит в том, что тиристоры по конструктивным соображениям находятся на разных расстояниях от формирователей.

При этом распределенные емкости, индуктивности и активные сопротивления подводящих проводов тоже могут существенно отличаться, что и вызывает изменение параметров управляющих сигналов или относительное смещение последних во времени. Очевидно, что в худшем положении в отношении искажения формы управляющего сигнала находится тиристор, наиболее удаленный от формирователя.

В зависимости от степени удовлетворения требованию одновременности поступления управляющих сигналов на управляющие электроды тиристоров различают одновременное в неодновременное управление.

Неодновременное управление имеет место в СУ, которые реализуют зависимое (вынужденное) включение последовательно соединенных тиристоров.

Принцип зависимого управления состоит в том, что управляющий сигнал поступает на вход только одного тиристора. Все остальные тиристоры включаются при помощи емкостной связи последовательно, один за другим. В приведенной на рисунке 6.15 схеме вынужденного включения тиристора VS₂ реализуется при каждом включении тиристора VS₁ управляющим импульсом, поступающим от СУ.

Рисунок 6.15 − Зависимое управление последовательно

соединёнными тиристорами

Когда тиристоры VS₁ и VS₂ находятся в выключенном состоянии, прямое напряжение делится между ними поровну с помощью шунтирующих резисторов R_ш и демпфирующих цепей RС. Конденсаторы, следовательно, тоже заряжены до напряжения сети. При поступлении управляющего импульса на вход тиристора VS₁ последний включается.

Напряжение на аноде тиристора VS₁ начинает быстро уменьшаться. Одновременно с включением тиристора VS₁ на ступает перераспределение напряжения между тиристорами VS₁ и VS₂: конденсатор С₁ разряжается, а С₂ − заряжается. Ток разрядки конденсатора С₁ протекает по цепи: R_y − входная цепь тиристора VS₂-VS₁-R₁. Таким образом осуществляется включение тиристора VS₂ непосредственно после включения тиристора VS₁.

Так как тиристоры и RС -цепи представляют собой сбалансированный мост, схема нечувствительна к колебаниям напряжения в сети, что исключает возможность самопроизвольного включения тиристора VS₂. Стабилитрон VD предохраняет управляющую цепь тиристора VS₁ от превышения допустимого прямого напряжения.

Минимальное значение емкости конденсаторов, при котором обеспечивается надежное включение тиристора VS₂, и сопротивление резистора R_y определяются приближенно по формулам:

,

где U_CT − напряжение стабилизации стабилитрона VD, В;

U_GT и I_GT − отпирающее напряжение управления, В, и соответствующий этому напряжению ток, А.

Заметим, что включение «ведомого» тиристора VS₂ вызывается не только воздействием тока управления. При включении тиристора VS₁ воспринимаемое им напряжение быстро перераспределяется между нагрузкой и тиристором VS₂. Так как сопротивление нагрузки на несколько порядков меньше сопротивления тиристора в непроводящем состоянии, напряжение практически полностью прикладывается к тиристору VS₂, что способствует ускорению его переключения (факторы U и du/dt). Как уже отмечалось, такой режим переключения допускают не все тиристоры.

Поэтому методы зависимого управления, позволяющие очень просто решить проблему изоляции управляющих цепей, имеют ограниченное применение.

Обычно их использование рекомендуется при числе последовательно соединенных тиристоров в силовом блоке n_U≤5.

Одновременное управление. Системы управления, обеспечивающие одновременное включение последовательно соединенных тиристоров, имеют ту же структурную схему, которая приведена на рисунке 6.5. Поэтому ниже рассмотрим только исполнение выходных каскадов СУ, к которым в данном случае предъявляются весьма высокие требования. По принципу обеспечения необходимой электрической изоляции между информационно логической частью (ИЛЧ) и формирователями импульсов (ФИ) или между ФИ и управляющими цепями тиристоров системы управления подразделяют на световые, радиоимпульсные и трансформаторные.

В световых СУ первичные управляющие импульсы задающего генератора преобразуются в световые импульсы, которые по световодам или через систему линз передаются на силовой блок, находящийся под высоким напряжением. В приемном устройстве происходит обратное преобразование световых импульсов в электрические с заданными параметрами и распределение их по тиристорам. Конструкции каналов передачи световых сигналов и преобразователей не имеют принципиальных различий с используемыми в световых системах управления контактными аппаратами высокого напряжения. Однако в полупроводниковых аппаратах требуются более мощные источники питания для выходных каскадов ФИ.

Это обусловлено тем, что управляющие импульсы должны вырабатываться постоянно (с f = 100 Гц) в течение времени, пока аппарат находится во включенном состоянии. Мощность импульса длительностью 100 мкс, необходимая для включения одного тиристора, равна 150 − 250 Вт. Это значит, что энергия, потребляемая ФИ для удержания во включенном состоянии блока, например, с 20 тиристорами в каждой из встречно-параллельно соединенных ветвей, за период может достигать 1 Дж.

Это является сдерживающим фактором широкого применения ФИ со световым управлением, так как передача такой энергии со стороны потенциала земли или отбор ее от управляемой сети приводят к значительному усложненную конструкции аппарата, снижению его надежности.

Более простыми получаются ФИ при управлении силовыми блоками на основе фототиристоров (рисунок 6.16, а). В этом случае отпадает необходимость в преобразователях, источниках питания, расположенных на объекте, находящемся под высоким потенциалом, и устройствах передачи энергии к ним. Один полупроводниковый лазерный диод на основе арсенида Галлия способен излучать энергию, достаточную для включения сотни фототиристоров. В качестве каналов передачи сигналов могут использоваться полые изоляционные или стекловолоконные световоды. Важно, что при этом обеспечивается полная электрическая развязка между СУ и силовой цепью без применения изолирующих трансформаторов, которые ухудшают распределение крутонарастающих напряжений по последовательно соединенным тиристорам.

Следует отметить, однако, что параметры по току и напряжению современных фототиристоров значительно ниже, чем у тиристоров обычного исполнения. Поэтому их использование в качестве коммутационных элементов главной цепи аппарата ограничено. Чаще на основе фототиристоров создают приемные устройства световых сигналов, где одновременно формируются мощные электрические сигналы для управления триодными тиристорами, или их используют в том случае, когда СУ имеет световую вставку между ИЛЧ и выходным каскадом ФИ (рисунок 6.16,б). Подобным образом может быть осуществлено управление ФИ с применением радиоимпульсов. Но по сравнению со световыми системами передачи информации радиоимпульсные системы очень чувствительны к помехам и поэтому обладают меньшей надежностью.

В аппаратах с относительно низкими номинальными напряжениями (вплоть до 110 кВ) надежная изоляция и распределение управляющих импульсов осуществляются с помощью трансформаторных ФИ. К настоящему времени разработаны различные варианты трансформаторных ФИ: на основе одного много обмоточного импульсного трансформатора; с последовательным и параллельным соединением импульсных трансформаторов; на основе различных комбинаций включения изолирующих и импульсных трансформаторов. Выбор того или иного ФИ определяется в основном требованиями к параметрам управляющих импульсов, уровню изоляции и помехоустойчивости. Например, каскадное соединение трансформаторов обеспечивает высокий уровень помехоустойчивости, так как элементы связи, имеющие собственную емкость, включаются последовательно, а на напряжение на каждом трансформаторе снижается в N раз (N -число трансформаторов). В то же время при N > 4…5 сложно обеспечить крутой фронт импульсов и одновременность их формирования на всех трансформаторах, так как элементы трансформаторов, обладающие индуктивностью рассеянья, оказываются включенными последовательно.

На рисунке 6.16, в показан ФИ, в котором передача управляющих импульсов от генератора к тиристорам осуществляется схемой с комбинированным соединением группового Т₁ в индивидуальных Т₂ трансформаторов. Преимущество этого варианта ФИ перед каскадным соединением трансформаторов состоит в том, что за счет использования в нем маломощных индивидуальных трансформаторов удается существенно уменьшить неодновременность формирования управляющих импульсов и искажения их формы (фронта и амплитуды).

1− информационно-логическая часть и выходной каскад формирователя; 2 − световой канал; 3 − преобразователь световых сигналов в электрические

Рисунок 6.16 − Системы управления тиристорными блоками аппаратов высокого напряжения

Как результат дальнейшего совершенствования трансформа торных схем можно считать ФИ, показанный на рисунке 6.16, г. В нем генератор импульсов нагружен непосредственно на последовательно соединенные трансформаторы, у которых общей первичной обмоткой является кабель высокого напряжения. ФИ, построенные на этом принципе, называют кабельно-трансформаторными. По возможности удовлетворения требованиям к управляющим импульсам они сравнимы со световыми формирователями.

В то же время кабельно-трансформаторные ФИ содержат значительно меньше элементов, более устойчивы к воздействиям внешней среды и обладают высокой надежностью.

Один из вариантов исполнения формирователя с тиристорным задающим генератором импульсов приведен на рисунке 6.17. Основой его является симметричный триггер с емкостной искусственной коммутацией тиристоров, нагруженный на изолирующие трансформаторы Т₁…T_n со встречно включенными первичными обмотками. В исходном состоянии схемы оба тиристора VS₁ и VS₂ закрыты, конденсатор С_K не заряжен, а конденсатор С заряжен до напряжения источника питания. При поступлении на одни из тиристоров, например VS₁, управляющего сигнала от ИЛЧ триггер срабатывает. При этом конденсатор С начинает заряжаться через ограничивающий резистор R на включенные в цепь тиристора VS₁ первичные обмотки трансформаторов и одновременно заряжается коммутирующий конденсатор C_К с указанной на рисунке 6.17 полярностью.

По истечении времени, достаточного для установления напряжения на конденсаторе С_K, выдается сигнал на включение тиристора VS₂. В результате тиристор VS₁ оказывается под обратным напряжением и запирается, а ток разрядки конденсаторов С и C_K протекает по первичным обмоткам трансформаторов, включенных в анодную цепь тиристора VS₂. Таким образом осуществляется поочередное включение тиристоров VS₁ и VS₂ и, следовательно, изменение направления тока в первичной цени трансформаторов.

Если в процессе работы триггера конденсатор С не подзаряжается (отключен от источника питания), то амплитуда импульсов напряжения на выходе формирователя уменьшается, как показано на рисунке 6.13 (импульс 6). Параметры генерируемой пачки импульсов можно менять посредством изменения емкости конденсаторов С и C_K сопротивления резисторов R или напряжения зарядки конденсатора С.

Рисунок 6.17 − Выходной каскад системы управления

Конструктивное исполнение кабельно-трансформа-торной части формирователя зависит от требований к изоляции. В аппаратах на номинальное напряжение до 35 кВ в качестве первичных обмоток могут быть использованы различные кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией (кабели управления, кабели для радиоустановок, высоковольтные рентгеновские кабели) или установочные провода. При необходимости усиления изоляции кабели и провода дополнительно заливаются эпоксидными компаундами или помещаются во фторопластовые трубы. На рисунке 6.19 показана конструкция изолирующего трансформатора с одной первичной обмоткой 1, которая выполнена из гибкого медного провода и залитого эпоксидным компаундом.

Ферритовые или пермаллоевые кольцевые магнитопроводы 2 с намотанными на них вторичными обмотками и тоже залитые эпоксидной смолой, через дистанционные изоляционные втулки 3 равномерно размещены по первичному проводу. Соединительная муфта 4 в оконцеватель первичной обмотки 5 заполнены трансформаторным маслом. При относительно малых мерах трансформаторы такой конструкции могут быть созданы на напряжение до 110 кВ.

Управление тиристорами в комбинированных аппаратах. Включение тиристоров в комбинированных аппаратах происходит при специфических условиях, которые обусловливают дополнительные требования к СУ. Главная особенность − это малое анодное напряжение на тиристорах при отключении аппарата. В зависимости от типа дугогасительного устройства общее напряжение на силовом полупроводниковом блоке может быть равным 50 − 100 В. Следовательно, при большом числе последовательно соединенных СПП, напряжение на каждом из них может составлять единицы вольт.

Для включения тиристора при таком вводном напряжении требуются управляющие сигналы с предельно допустимой импульсной мощностью (130 − 250 Вт). Заметим, что в данном случае не ставится задача обеспечить одновременное включение тиристоров. Более того, неодновременное их включение позитивно влияет на общий процесс переключения всей цепи тиристоров. Это объясняется тем, что при включении одного или нескольких тиристоров увеличивается напряжение на остальных приборах, повышая этим самым их чувствительность к управляющему току.

Специфической особенностью СУ комбинированных аппаратов является также режим синхронизации их работы. В большинстве предлагаемых вариантов запуск СУ синхронизируется не с характерными точками кривой тока или напряжения, а с моментом размыкания контактов. Точно зафиксировать этот момент можно, например, с помощью элементов, реагирующих на появление электрической дуги (фоторезистор, фотодиод).

Но и в этом случае нельзя уверенно прогнозировать время, в течение которого напряжение на силовом блоке достигнет значения, необходимого для включения тиристоров. Оно определяется многими факторами. Поэтому существует необходимость в формировании управляющих импульсов с длительностью, рассчитанной на самый неблагоприятный режим нарастания напряжения на силовом блоке. Результаты исследований различных режимов работы комбинированных аппаратов свидетельствуют о том, что максимальная длительность формируемых управляющих импульсов может быть равной 1,3…1,5 мс. Поскольку начало управляющего импульса при такой синхронизации заведомо упреждает возможный момент включения тиристоров, отпадает необходимость в формировании сигнала специальной формы. Важным является обеспечить ввод и поддержание на достаточном уровне заряда в базовых областях структуры тиристора в течение всего указанного времени. Очевидно, что и мощность управляющего импульса в этом случае должна соответствовать выбранной длительности.

В комбинированных аппаратах с предвключаемым резистором достижение необходимого напряжения на силовом блоке фокусируется точно с помощью датчика напряжения и порогового элемента в ИЛЧ − системы управления. Поэтому длительность управляющего импульса может быть сокращена до минимального значения (100 − 150 мкс), а импульсная мощность соответственно повышена до предельного значения для данного типа тиристора.

К особенностям СУ комбинированных аппаратов следует отнести также кратковременность их работы (ждущий режим). Это позволяет использовать источники питания малой мощности, с небольшими габаритами и массой. Одновременно ждущий режим работы требует повышения надежности системы. Для исключения отказов СУ в ней должны быть предусмотрены функции самоконтроля. Практически это осуществляется периодическим запуском СУ и контролем параметров выходных импульсов.