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 Rш 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: Ry − 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 Ry определяются приближенно по формулам:
,
где UCT − напряжение стабилизации стабилитрона VD, В;
UGT и IGT − 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 nU≤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).
