6 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.