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 задержки α) 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 угол α 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.