Способ и устройство управления тиристорами (варианты)

Способ и устройство управления тиристорами (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретения относятся к преобразовательной технике, предназначены для систем импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем с фазовым регулированием от магнитного усилителя, и могут быть использованы в сочетании с другими фазосдвигающими устройствами.

Известно несколько способов управления тиристорами с фазовым регулированием от однополупериодного магнитного усилителя, в том числе способ, наиболее полно отвечающий требованиям, предъявляемым к управляющему импульсу, при котором предварительно заряженный конденсатор через вспомогательный тиристор, управляемый магнитным усилителем, разряжают на первичную обмотку импульсного трансформатора, обеспечивая импульсы управления силовым тиристором и гальваническую развязку цепей управления и нагрузки [1. Ройзен С.С., Стефанович Т.Х. Магнитные усилители в электроприводе и автоматике. М., «Энергия», 1970, с.440-442].

Однако при известных способах отсутствует ограничение результирующего сигнала управления при магнитном суммировании сигналов в обмотках управления магнитного усилителя, который может оказаться недопустимо большим при диапазоне изменения угла регулирования, заведомо превышающем требуемый для конкретного случая, что при подаче задающего сигнала не позволяет, например, выполнить требуемое ограничение максимального напряжения преобразователя или осуществить упреждающее токоограничение [2. Н.Н.Алексеева и др. А47. Тиристорные регулируемые электроприводы постоянного тока. М., «Энергия», 1970, с.13], а при снятии задания под действием обратной связи магнитный усилитель закрывается, что приводит к снятию импульсов управления с тиристоров и нарушению работы преобразователя - потеря управляемости, опрокидывание инвертора и т.п. В полупроводниковых системах импульсно-фазового управления вентильным преобразователем функция ограничения возможного диапазона изменения угла регулирования возлагается на специальное входное устройство [3. В.П.Шипилло, О.Г.Булатов. Расчет полупроводниковых систем управления вентильными преобразователями. М. - Л., «Энергия», 1966, с.36, 59].

Известны устройства управления тиристорами с фазовым регулированием от однополупериодного магнитного усилителя [1, рис.7-9, с.448].

Однако однополупериодный магнитный усилитель является усилителем тока и не может быть использован в качестве усилителя напряжения или мощности, а так как наиболее распространенными схемами выпрямления силовой части тиристорных преобразователей являются однофазная нулевая или мостовая и трехфазная мостовая схемы, состоящие соответственно из одной, двух и трех пар противофазно включенных тиристоров, то для управления ими предпочтительнее использовать однофазный магнитный усилитель с самонасыщением, выполненный с двумя сердечниками, который может быть использован не только для усиления тока, но также для усиления напряжения и мощности [1, с.26, 27].

Известно устройство управления двумя тиристорами, включенными противофазно, содержащее однофазный магнитный усилитель с самонасыщением, нагрузкой которого служит выходной насыщающийся трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к управляющим переходам тиристоров [2, рис.12,б, с.54].

Однако в известных устройствах отсутствует ограничение результирующего сигнала управления при магнитном суммировании сигналов в обмотках управления магнитного усилителя, который может оказаться недопустимо большим при диапазоне изменения угла регулирования, заведомо превышающем требуемый для конкретного случая. Отсутствует также возможность применения нужной схемы соединения рабочих обмоток однофазного магнитного усилителя с самонасыщением, имеющих несколько модификаций [1, рис.1-24, с.62], отличающихся характеристиками вход-выход как правой, так и левой ветвей. Если коэффициент усиления в режиме правой ветви в первую очередь обусловливается магнитными свойствами сердечников, то форма левой ветви характеристики вход-выход зависит от схемы соединения обмоток и ее параметров, правильный выбор которых имеет большое значение для обеспечения нормальной работы преобразователя, а следовательно, и электропривода в целом [1, с.63, 72, 78, 98]. Кроме того, напряжение питания формирователя импульсов является фиксированной величиной, в то время как магнитные усилители имеют широкий диапазон номинальных напряжений, величина которых может не совпадать с величиной напряжения питания формирователя импульсов.

В отдельных случаях, например, для ограничения максимального и минимального значений тока возбуждения электродвигателя, для осуществления упреждающего ограничения тока якоря и др., требуется оперативное изменение или автоматическое регулирование значений минимального и максимального углов регулирования тиристоров, что при многоканальном управлении тиристорами затруднительно. Кроме того, выполнение устройства управления тиристорами по одноканальной схеме упрощает построение схем реверсивных преобразователей.

Известен способ управления тиристорами при помощи релаксационного генератора импульсов, конденсатор которого через регулируемый резистор заряжают от источника выпрямленного напряжения трапецеидальной формы, синхронизированного с напряжением питающей сети, и при помощи однопереходного транзистора разряжают на первичную обмотку импульсного трансформатора по достижении напряжения на конденсаторе уставки срабатывания транзистора [4. Кремниевые управляемые вентили - тиристоры. Технический справочник. Перевод с английского под редакцией к.т.н. В.А.Лабунцова и А.Ф.Свиридова. М. - Л., «Энергия», 1964, с.79, 80], а также устройство управления тиристорами при помощи релаксационного генератора импульсов на однопереходном транзисторе с RC-цепью и импульсным трансформатором, питаемого выпрямленным напряжением трапецеидальной формы [4, рис.4-18].

Основной задачей, на решение которой направлены заявленные способ и устройство управления тиристорами, является обеспечение работоспособности системы управления с фазовым регулированием от магнитного усилителя при любом значении результирующего сигнала управления, а также расширение арсенала технических средств.

Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленной группы изобретений, является фазовое регулирование импульсов управления тиристоров, включенных противофазно, от однофазного магнитного усилителя с самонасыщением с ограничением в нужных пределах диапазона угла регулирования независимо от величины результирующего сигнала управления магнитным усилителем по двух и одноканальным схемам управления, и согласование работы формирователя импульсов с магнитным усилителем, независимо от величины напряжения питания и схемы соединения рабочих обмоток последнего.

Указанный технический результат достигается тем, что при управлении тиристорами с фазовым регулированием от магнитного усилителя и формированием выходного импульса управления тиристором с помощью релаксационного генератора импульсов на однопереходном транзисторе с RC-цепью разрядом заряженного конденсатора RC-цепи на первичную обмотку импульсного трансформатора, цепи рабочей обмотки магнитного усилителя и релаксационного генератора питают от источника выпрямленного напряжения трапецеидальной формы, синхронизированного с напряжением питающей сети, согласно изобретению при появлении импульса питающего напряжения конденсатор RC-цепи заряжают до напряжения срабатывания однопереходного транзистора с постоянной времени, соответствующей максимальному углу регулирования и заданной резистором RC-цепи, а при появлении импульса управления с выхода магнитного усилителя конденсатор дозаряжают до напряжения срабатывания транзистора через другой резистор с постоянной времени, соответствующей минимальному углу регулирования.

Пример осуществления способа приведен на фиг.1, где изображены принципиальная схема управления и диаграмма напряжений на элементах схемы, поясняющая работу схемы.

От источника выпрямленного напряжения трапецеидальной формы получают питание параллельно соединенные цепи рабочей обмотки однополупериодного магнитного усилителя 1 и релаксационного генератора импульсов, содержащего резистор 2, конденсатор 3 и однопереходной транзистор 4, на выход которого включена первичная обмотка импульсного трансформатора 5. Выход магнитного усилителя 1 через резистор 6 и развязывающий диод 7 соединен с общей точкой соединения резистора 2, конденсатора 3 и эмиттера однопереходного транзистора 4. Резистором 2 устанавливают максимальный угол регулирования, резистором 6 - минимальный.

При появлении импульса питающего напряжения через резистор 2 начинает заряжаться конденсатор 3, и при отсутствии сигнала с выхода магнитного усилителя импульс управления силовым тиристором сформируется при максимальном угле регулирования, заданным резистором 2. При появлении импульса с выхода магнитного усилителя конденсатор 3 дозаряжается до напряжения срабатывания транзистора 4 через резистор 6.

На диаграмме приведены: 8 - напряжение источника питания схемы управления; 9 - напряжение выхода магнитного усилителя; 10 - напряжение на конденсаторе 3; 11 - напряжение срабатывания однопереходного транзистора 4; 12 - максимальный угол регулирования при закрытом магнитном усилителе; 13 - минимальный угол регулирования при полностью открытом магнитном усилителе; 14 - угол регулирования, соответствующий произвольно выбранной величине результирующего сигнала управления магнитным усилителем в пределах рабочей части его характеристики.

Наибольшее значение максимального угла регулирования, кроме ограничений, накладываемых на его величину физикой работы преобразователя, определяется тем, что для получения неизменного по амплитуде импульса управления силовым тиристором к моменту начала спадания импульса питания напряжение на конденсаторе 3 должно достичь уставки срабатывания однопереходного транзистора 4.

Минимальный угол регулирования в системах с фазовым регулированием от магнитного усилителя определяется наклоном переднего фронта импульса питания и начальным углом перемагничивания сердечника магнитного усилителя при результирующем токе управления, равным нулю [2, с.53, 54]. Для получения изменения напряжения на нагрузке от нуля до максимального значения необходимо обеспечить диапазон изменения угла открытия тиристоров для трехфазной мостовой схемы 120°, для трехфазной нулевой схемы 150°, для однофазной схемы 180°, однако, учитывая, что при малых углах открытия тиристоров в однофазных схемах выходное напряжение меняется очень мало, допустимо уменьшение диапазона до 150-160° [4, с.41].

Начальный угол перемагничивания сердечника магнитного усилителя при питании синусоидальным напряжением составляет 20-25° [1, с.421], при питании напряжением прямоугольной формы - 10° [2, с.52], что считается достаточно малой величиной. Поэтому при отсутствии необходимости в ограничении минимального угла регулирования незначительное увеличение его на 2-4° в заявляемом способе за счет времени заряда конденсатора 3 через резистор 6 вполне допустимо.

Кроме того, диапазон регулирования определяется наклоном переднего и заднего фронтов импульсов питания. Трапецеидальное напряжение формируют обычно, отсекая верхнюю часть синусоидального напряжения стабилитроном, включенным последовательно с ограничивающим резистором. При питании цепей управления трапецеидальными импульсами с амплитудой около 20 В наклон фронтов импульсов питания имеет следующие значения: при использовании понижающего трансформатора со вторичным напряжением 60 В - 14°, при напряжении сети 220 В - 3,6°, при напряжении сети 380 В - 2°. Поэтому, несмотря на повышенные потери мощности (десятки ватт), рассеиваемой в ограничивающем резисторе, предпочтительнее использовать бестрансформаторные схемы формирования трапецеидального напряжения, которые помимо расширения диапазона регулирования позволяют исключить понижающий трансформатор, поскольку гальваническая развязка обеспечивается импульсными трансформаторами. При использовании силовых оптотиристоров исключаются и импульсные трансформаторы.

На основании изложенного значения параметров элементов схемы выбирают исходя из условий обеспечения требуемого диапазона регулирования при наименьшей потребляемой цепями управления мощности. Величина емкости конденсатора 3 должна быть минимальной, но достаточной для обеспечения надежного включения как однопереходного транзистора 4 при максимальном угле регулирования, так и силового тиристора. Величиной емкости конденсатора 3 определяется верхний предел величины сопротивления резистора 2. Нижний предел величины сопротивления резистора 6 ограничен допустимой величиной постоянного тока эмиттера однопереходного транзистора 4.

При больших значениях ограничения минимального угла регулирования коэффициент усиления системы управления снижается, что необходимо учитывать при выборе параметров, в частности обратных связей, электропривода.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве управления тиристорами, включенными противофазно, содержащем однофазный магнитный усилитель с самонасыщением и релаксационный генератор импульсов на однопереходном транзисторе с двумя RC-цепями и импульсными трансформаторами, вторичные обмотки которых подключены к управляющим переходам тиристоров, получающих питание от источника напряжения трапецеидальной формы с амплитудой, ограниченной резистором и стабилизированной стабилитроном, включенных через выпрямительный мост, согласно изобретению цепь каждой из работающих в противофазе рабочих обмоток магнитного усилителя соединена параллельно с одной из RC-цепей, последовательно с конденсатором которой включена первичная обмотка импульсного трансформатора, точка соединения рабочей обмотки с нагрузочным резистором магнитного усилителя через другой резистор и развязывающий диод соединена с точкой соединения резистора и конденсатора RC-цепи, а эти точки работающих в противофазе цепей через другие развязывающие диоды соединены с эмиттером однопереходного транзистора, базовая цепь которого подключена параллельно стабилитрону источника питания.

Схема устройства управления тиристорами приведена на фиг.2.

От источника напряжения трапецеидальной формы, выполненного на ограничивающем резисторе 1 и стабилитроне 2, включенных на выход выпрямительного моста 3, в противофазе получают питание два канала управления, каждый из которых содержит цепь рабочей обмотки 4 с нагрузочным резистором 5 магнитного усилителя, параллельно которой включена RC-цепь с резистором 6, конденсатором 7 и последовательно соединенной с ним первичной обмоткой импульсного трансформатора 8. Точка соединения рабочей обмотки 4 с нагрузочным резистором 5 через резистор 9 и развязывающий диод 10 соединена с точкой соединения резистора 6 и конденсатора 7, которая, в свою очередь, через другой развязывающий диод 11 соединена с эмиттером однопереходного транзистора 12, базовая цепь которого подключена параллельно стабилитрону 2. Резистором 6 устанавливают требуемый максимальный угол регулирования, резистором 9 - минимальный.

При появлении импульса питающего напряжения любой полярности вступает в работу соответствующий канал управления - через резистор 6 начинает заряжаться конденсатор 7, и при отсутствии сигнала с выхода магнитного усилителя импульс управления силовым тиристором сформируется при максимальном угле регулирования, заданным этим резистором. При появлении импульса с выхода магнитного усилителя конденсатор 7 дозаряжается до уставки срабатывания транзистора 12 с постоянной времени, заданной резистором 9.

Аналогично работает другой канал управления при появлении импульса питающего напряжения противоположной полярности.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве управления тиристорами, включенными противофазно, содержащем однофазный магнитный усилитель с самонасыщением и релаксационный генератор импульсов на однопереходном транзисторе с RC-цепью и двумя импульсными трансформаторами, вторичные обмотки которых подключены к управляющим переходам тиристоров, получающих питание от источника напряжения трапецеидальной формы с амплитудой, ограниченной резистором и стабилизированной стабилитроном, включенных через выпрямительный мост, согласно изобретению цепи работающих в противофазе рабочих обмоток магнитного усилителя включены на общий нагрузочный резистор, базовая цепь однопереходного транзистора с RC-цепью подключены параллельно стабилитрону источника питания, а выход магнитного усилителя через резистор и развязывающий диод подсоединен параллельно конденсатору RC-цепи, причем первичные обмотки импульсных трансформаторов одними концами подключены к выходу однопереходного транзистора, другими - к анодам двух вспомогательных тиристоров, катоды которых подсоединены к аноду стабилитрона, а управляющие электроды - через ограничивающие резисторы на вход выпрямительного моста источника питания.

Схема устройства управления тиристорами приведена на фиг.3.

От источника напряжения трапецеидальной формы, выполненного на ограничивающем резисторе 1 и стабилитроне 2, включенных на выход выпрямительного моста 3, в противофазе получают питание цепи рабочих обмоток 4 магнитного усилителя, имеющие общий нагрузочный резистор 5. Параллельно стабилитрону 2 включены RC-цепь с резистором 6 и конденсатором 7 и базовая цепь однопереходного транзистора 12 с подключенными на выходе первичными обмотками импульсных трансформаторов 8 и 10, вторые концы которых подсоединены к анодам вспомогательных тиристоров 13 и 14. Катоды тиристоров соединены с анодом стабилитрона 2, а управляющие электроды через ограничивающие резисторы 15 и 16 - на вход выпрямительного моста 3. Выход магнитного усилителя через резистор 9 и развязывающий диод 10 подключен параллельно конденсатору 7. Резистором 6 устанавливают максимальный угол регулирования, резистором 9 - минимальный.

При появлении импульса питающего напряжения через резистор 6 начинает заряжаться конденсатор 7, и при отсутствии сигнала с выхода магнитного усилителя импульс управления силовым тиристором сформируется при максимальном угле регулирования, заданном этим резистором, разрядом конденсатора на ту обмотку импульсного трансформатора, вспомогательный тиристор в цепи которой включен. При появлении импульса с выхода магнитного усилителя конденсатор 7 дозаряжается до уставки срабатывания транзистора 12 с постоянной времени, заданной резистором 9. Изменяя величину сопротивления резисторов 6 или 9, можно одновременно и на одинаковое значение изменять максимальный или минимальный углы регулирования противофазно включенных тиристоров.

Указанный технический результат достигается тем, что при управлении тиристорами, работающими в противофазе, фазовое регулирование которых осуществляют от однофазного магнитного усилителя с самонасыщением, а формирование импульсов управления тиристорами - при помощи релаксационного генератора импульсов на однопереходном транзисторе с RC-цепью разрядом заряженного конденсатора RC-цепи на первичную обмотку импульсного трансформатора, согласно изобретению питание цепей управления осуществляют от источников трапецеидального напряжения, синхронизированных с питающей сетью, соответствующих номинальным напряжениям магнитного усилителя и релаксационного генератора, ограничение максимального угла регулирования производят подбором величины сопротивления резистора RC-цепи релаксационного генератора, а минимального - подключением параллельно этому резистору другого резистора через коллекторно-эмиттерный переход оптотранзистора, управляющий светодиод которого через ограничивающий резистор включают на выход магнитного усилителя.

Примеры осуществления способа управления тиристорами приведены на фиг.4 и 5.

На фиг.4 приведена схема управления противофазно включенными тиристорами для случая, когда напряжения питания магнитного усилителя 1 ниже напряжения питания формирователя импульсов (например, используется магнитный логический элемент типа МР203 со встроенными диодами в цепи рабочих обмоток, напряжение питания 60 В при частоте 400 Гц, и соответственно 8 В при 50 Гц).

Формирователь импульсов выполнен по одноканальной схеме релаксационного генератора импульсов на однопереходном транзисторе 12, RC-цепочке с резистором 6 и конденсатором 7 и двух импульсных трансформаторах 8, первичные обмотки которых включены на выход транзистора 9 через два вспомогательных тиристора 13 и 14, выполняющих роль коммутатора. Напряжение питания формирователя импульсов - 24 В. Управляющие электроды вспомогательных тиристоров через ограничивающие резисторы 13 и 14 подсоединены на вход выпрямительного моста 3 источника питания.

Источник питания содержит также ограничивающий резистор 17 и последовательно соединенные стабилитроны 2 и 18, включенные на выход выпрямительного моста 3. Стабилитрон 2 выбирается на напряжение стабилизации, соответствующее напряжению питания магнитного усилителя, а стабилитрон 18 - чтобы сумма напряжений стабилитронов 2 и 18 соответствовала напряжению питания формирователя импульсов.

Параллельно резистору 6 подключен резистор 19 с последовательно соединенным коллекторно-эмиттерным переходом оптотранзистора 20, управляющий светодиод которого через ограничивающий резистор 21 включен на выход магнитного усилителя 4.

Резистором 6 устанавливают максимальный угол регулирования при закрытом магнитном усилителе, резистором 19 - минимальный угол регулирования при полностью открытом магнитном усилителе.

На фиг.5 приведена схема управления противофазно включенными тиристорами для случая, когда напряжение питания магнитного усилителя выше напряжения питания формирователя импульсов, а магнитный усилитель собран по схеме с выходом на переменном токе. Формирователь импульсов выполнен двухканальным, а первичные обмотки импульсных трансформаторов включены последовательно с конденсаторами RC-цепей. Схема может быть и одноканальной. В этом случае светодиод оптотранзистора подключается к выходу магнитного усилителя через выпрямительный мост и вводится в работу тиристорный коммутатор.

1. Способ управления тиристорами с фазовым регулированием от магнитного усилителя и формированием выходного импульса управления тиристором при помощи релаксационного генератора импульсов на однопереходном транзисторе с RC-цепью разрядом заряженного конденсатора RC-цепи на первичную обмотку импульсного трансформатора, при котором цепи рабочей обмотки магнитного усилителя и релаксационного генератора питают от источника выпрямленного напряжения трапецеидальной формы, синхронизированного с напряжением питающей сети, отличающийся тем, что при появлении импульса питающего напряжения конденсатор RC-цепи заряжают до напряжения срабатывания однопереходного транзистора с постоянной времени, соответствующей максимальному углу регулирования и заданной резистором RC-цепи, а при появлении импульса управления с выхода магнитного усилителя конденсатор дозаряжают до напряжения срабатывания транзистора через другой резистор с постоянной времени, соответствующей минимальному углу регулирования.

2. Устройство управления тиристорами, включенными противофазно, содержащее однофазный магнитный усилитель с самонасыщением и релаксационный генератор импульсов на однопереходном транзисторе с двумя RC-цепями и импульсными трансформаторами, вторичные обмотки которых подключены к управляющим переходам тиристоров, и получающих питание от источника напряжения трапецеидальной формы с амплитудой, ограниченной резистором и стабилизированной стабилитроном, включенными через выпрямительный мост, отличающееся тем, что цепь каждой из работающих в противофазе рабочих обмоток магнитного усилителя соединена параллельно с одной из RC-цепей, последовательно с конденсатором которой включена первичная обмотка импульсного трансформатора, точка соединения рабочей обмотки с нагрузочным резистором магнитного усилителя через другой резистор и развязывающий диод соединена с точкой соединения резистора и конденсатора RC-цепи, а эти точки работающих в противофазе цепей через другие развязывающие диоды соединены с эмиттером однопереходного транзистора, базовая цепь которого подключена параллельно стабилитрону источника питания.

3. Устройство управления тиристорами, включенными противофазно, содержащее однофазный магнитный усилитель с самонасыщением и релаксационный генератор импульсов на однопереходном транзисторе с RC-цепью и двумя импульсными трансформаторами, вторичные обмотки которых подключены к управляющим переходам тиристоров, и получающих питание от источника напряжения трапецеидальной формы с амплитудой, ограниченной резистором и стабилизированной стабилитроном, включенными через выпрямительный мост, отличающееся тем, что цепи рабочих обмоток магнитного усилителя включены на общий нагрузочный резистор, базовая цепь однопереходного транзистора с RC-цепью подключены параллельно стабилитрону источника питания, выход магнитного усилителя через резистор и развязывающий диод подсоединен параллельно конденсатору RC-цепи, а первичные обмотки импульсных трансформаторов одними концами подключены к выходу однопереходного транзистора, другими - к анодам двух вспомогательных тиристоров, катоды которых подсоединены к аноду стабилитрона, а управляющие электроды - через ограничивающие резисторы на вход выпрямительного моста источника питания.

4. Способ управления тиристорами, работающими в противофазе, фазовое регулирование которых осуществляют от однофазного магнитного усилителя с самонасыщением, а формирование импульсов управления тиристорами - при помощи релаксационного генератора импульсов на однопереходном транзисторе с RC-цепью разрядом заряженного конденсатора RC-цепи на первичную обмотку импульсного трансформатора, отличающийся тем, что питание цепей управления осуществляют от источников трапецеидального напряжения, синхронизированных с питающей сетью, соответствующих номинальным напряжениям питания магнитного усилителя и релаксационного генератора, ограничение максимального угла регулирования производят подбором величины сопротивления резистора RC-цепи релаксационного генератора, а минимального - подключая параллельно этому резистору другой резистор через коллекторно-эмиттерный переход оптотранзистора, управляющий светодиод которого через ограничивающий резистор включают на выход магнитного усилителя.