Тема 2.2. Системы импульсно-фазового управления (сифу).

2.2.1. Принципы управления тиристорами.

Тиристор представляет собой выпрямитель с ограниченным управлением. При включении в цепь переменного тока тиристор может быть открыт в положительный полупериод при подаче импульса напряжения на управляющий электрод. После исчезновения управляющего напряжения тиристор остается в проводящем состоянии до тех пор, пока анодное напряжение не станет равным нулю.

Регулирование выпрямленного напряжения происходит путем изменения фазового угла, при котором открывается тиристор, и тем самым изменения длительности его работы в оставшуюся часть полупериода.

2.2.2. Сифу.

Система управления электроприводом включает в себя СИФУ, формирующую последовательность отпирающих импульсов с требуемыми электрическими параметрами, моменты появления которых определяются входным напряжением управления, а также некоторыми дополнительными управляющими сигналами; систему регулирования координат ЭП, которая на основании информации о требуемом значении основной регулируемой координаты и некоторой дополнительной информации вырабатывает напряжение управления СИФУ таким образом, чтобы обеспечить соответствие основной регулируемой координаты заданному значению некоторым оптимальным образом при допустимых значениях промежуточных координат; систему защит и оперативного управления ЭП.

СИФУ состоит из узла, преобразующего напряжение управления в последовательность импульсов определенной длительности, формы и скважности, моменты появления которых зависят от напряжения управления; узла усиления импульсов, формирующего импульсы с определенными электрическими параметрами; узла переключения выпрямительных групп с датчиком отсутствия тока нагрузки для реверсивных ЭП с раздельным управлением.

Рассмотрим СИФУ в составе выпрямителя.

Структурно выпрямитель состоит из двух частей: СИФУ и вентильного комплекта (ВК) (рис.2.6, а).

СИФУ

ВК

Входной координатой выпрямителя является напряжение управления, как правило, с выхода регулятора тока. Выходной координатой выпрямителя является пульсирующая ЭДС е.

Выходной координатой СИФУ является угол открывания .

СИФУ выполняет две функции:

Преобразует U_у в угол открывания , формирует открывающие импульсы для управления тиристорами.

Вентильный комплект осуществляет преобразование  в выходную ЭДС е.

В зависимости от того в одном или нескольких каналах вырабатываются управляющие импульсы для каждого вентиля преобразователя, различают одно- и многоканальные системы управления, а в зависимости от принципа изменения фазы управляющего импульса – горизонтальные, вертикальные и цифровые.

Кроме того, системы управления могут быть синхронными и асинхронными.

При синхронном импульсно-фазовом упралении угол подачи управляющего импульса отсчитывают от определенной фазы напряжения сети, питающей преобразователь. Синхронное управление в настоящее время является общепринятым и наиболее распространенным.

При асинхронном импульсно-фазовом управлении угол подачи управляющего импульса отсчитывается от момента подачи предыдущего импульса.

Вертикальные системы управления в настоящее время имеют очень широкое использование.

При вертикальном управлении управляющий импульс формируется в результате сравнения величин переменного (синусоидального, пилообразного, треугольного) и постоянного напряжений. В момент, когда эти напряжения становятся равными, происходит формирование импульса. Фазу импульса можно регулировать, изменяя величину постоянного напряжения. Фазосдвигающее устройство при вертикальном управлении состоит из генератора переменного напряжения и узла сравнения.

На рис.2.6,б представлена структурная схема вертикальной одноканальной системы управления однофазным мостовым выпрямителем.

Система работает следующим образом.

Генератор переменного напряжения ГПН запускается при поступлении с синхронизатора С напряжения в момент появления на тиристорах прямого напряжения, т.е. в точках естественной коммутации. С выхода ГПН напряжение пилообразной формы поступает на устройство сравнения УС, где оно сравнивается с напряжением управления U_у. В момент сравнения пилообразного и управляющего напряжений УС вырабатывает импульс, который через распределитель импульсов РИ поступает на формирователь импульсов ФИ1 и ФИ2 и дальше через выходные каскады ВК1 и ВК2 на тиристоры выпрямителя. В качестве УС используется компаратор, выполненный на базе ОУ.

Для многопульсных вентилей схема СИФУ усложняется.

Структурная схема СИФУ представлена на рис.2.6,а. Управляющее напряжение поступает на вход фазосдвигающего устройства (ФСУ), в котором сравнивается с опорным напряжением, вырабатываемым генератором опорного напряжения (ГОН). При равенстве напряжений на выходе нуль-огранов (НО) появляется сигнал, который проходит через блок усиления и формирования импульсов (УФ) и поступает на управляющий электрод тиристора.

ГОН

В настоящее время получили распространение два вида синхронных систем фазосмещения – системы с опорным линейным напряжением и косинусоидальным опорным напряжением. Информационная часть СУ строится на базе интегральных микросхем, а также гибридных интегральных схем (ГИС). В одном корпусе ГИС реализована схема одного или нескольких каналов СИФУ.

На рис.2.6,б показана принципиальная схема 1-го и 4-го каналов фазосмещающего устройства для 6-пульсной схемы ТП, построенная на базе ГИС. СИФУ состоит из трансформатора синхронизации Т, активного сетевого фильтра Ф1,4 (Ф2,5; Ф3,6), построенного на операционных усилителях А3,А4 (для двух каналов), фазосмещающего устройства, построенного на ГИС, реализующей два сдвинутых на 180 каналов управления. Выходные импульсы ГИС подаются на два входа выходных каскадов. Остальные m-2 канала управления реализованы на логичных элементах.

Т подключается или через промежуточный трансформатор, или непосредственно к сетевому напряжению. Напряжение синхронизации поступает на фильтр. С выхода фильтра сигнал u_ci (рис.2.7) подается на входы компараторов, реализованных на транзисторах V1, V2, размещенных в корпусе ДК-1.

Компараторы имеют зону нечувствительности, т. е. при напряжении, близком к нулю, транзисторы V1, V2 закрыты, в результате чего длительность сигнала 1 меньше 180. при совпадении сигналов 1 на двух входах микросхемы D1.1 формируется сигнал на выходе элемента D1.4, который замыкает ключ V4 и уменьшает до 0 пилообразное опорное напряжение, генерируемое интегратором на базе усилителя А1.

Напряжение с выхода ГОН поступает на вход нуль-органа А2, где сравнивается с напряжением управления преобразователем u_у. Напряжение управления поступает на вход нуль-органа из узла согласования, в котором предусмотрена возможность установки начального угла включения тиристоров _, ограничения минимального и максимального углов min, max и переключения сигнала управления при раздельном управлении.

В момент сравнения опорного и управляющего напряжений переключается триггер D2.1, D2.2 и формируется импульс управления. Распределение импульсов по тиристорам осуществляется микросхемами D2.3, D3.1, D3.2, D3.3 в соответствии с сигналами компараторов через микросхемы D1.3, D1.2. логический сигнал с их выходов поступает на микросхемы D2.3, D3.1, D3.2, D3.3. на эти же элементы подаются сигналы блокирования управляющих импульсов системой раздельного управления.

Импульс управления с выхода D2.3 поступает через микросхему D4.1 и согласующий ключ V6 на вход узла выходного каскада 1-го канала (формирователя импульсов ФИ-1В), а с выхода элемента D4.2 поступает импульс, синхронизируемый сдвинутым на 180 напряжением противофазного 4-го канала. Элементы D2.3, D3.1, D4.1, D4.2 осуществляют суммирование узких управляющих импульсов, т.е. на вход 1-го канала через элемент D4.1 поступает подтверждающий импульс от второго канала, а с выхода элемента D2.3 подается узкий управляющий импульс на вход 6-го канала. Аналогично на вход элемента D4.2 поступает импульс с 5-го канала, а с выхода элемента D3.1 выдается импульс на 3-ий канал. Такое суммирование обеспечивает первоначальный запуск преобразователя с длительностью управляющих импульсов _иm и запуск тиристоров в режиме прерывистого тока. Элементы D3.2, D3.3, D4.3, D4.4 реализуют аналогичный алгоритм для 1-го и 4-го каналов второго комплекта тиристоров реверсивной схемы с раздельным управлением.

Структурная схема СИФУ с опорным напряжением, изменяющимся по косинусоидальному закону (рис.2.8). Трансформатор синхронизации, как и в выше описанной схеме, имеет несколько вторичных обмоток. Вторичное напряжение фильтруется апериодическими фильтрами, создающими сдвиг фазы на угол 2m. Переключением обмоток Т и включением фильтра обеспечивается схемная реализация преобразования. Напряжения с фильтра поступают на нуль-органы НО1-НО6, где сравниваются с напряжением управления. При этом те нуль0органы, на вход которых подается напряжение –u_у, формируют импульсы A_s, B_s, C_s, а нуль-органы с входным напряжением +u_у – импульсы -A_s, -B_s, -C_s.

Дополнительное напряжение смещения U_см, подаваемое на входы НО1-НО6, служит для выбора начальной точки характеристики управления. Импульсы на выходах нуль-органов имеют изменяющуюся длительность от 0 при u_у=U_опmax до 360 при u_у=-U_опmax. Наряду с импульсами управления формируются логические сигналы ограничения минимального _min и максимального _max углов управления. Каждый из этих сигналов должен иметь длительность 180, чтобы их можно было использовать для анодной и катодной групп одновременно. Схемы узлов формирования этих сигналов идентичны (рис.2.9,а).

Рассмотрим формирование сигнала А₀. При U₀=0 на выходе НО1 имеется импульс длительностью 180, отстающий от амплитудного отрицательного значения фазы А_ф на 30 (прямоугольник 1 рис.2.9,б). Если же _min должно быть меньше 30, то на вход НО подается напряжение U₀ через ключи, управляемые от выходов НО. Необходимость введения ключей вызвана тем, что при их отсутствии длительность сигнала более 180 (прямоугольник 2 рис.2.9,б). В момент времени с срабатывает НО3, т.к. напряжение А_ф становится равным –U₀, и напряжение сравнение НО1 изменяет знак, поэтому НО1 переключается в точке d, когда напряжение В_ф=-U₀, и длительность сигнала на его выходе равна 180 (прямоугольник 3 рис.2.9,б).

Узел формирования сигналов A_max, B_max, С_max отличается другим порядком чередования (на вход НО1 подается сигнал С_ф, а не В_ф и т.д.). сигналы А_s, B_s, Cs, A₀, В₀, С₀, А_м, В_м, С_м подаются на логическую схему ЛС, один канал которой показан на рис.2.8.

Из рис.2.10 видно, что на выходе ЛС импульсы управления длительностью 120, передний фронт которых соответствует углу включения соответствующего тиристора. Импульс не может быть выдан раньше, чем заданный угол _min, т.к. сигнал  при этом находится в состоянии логической 1. Если импульс не выдан в течении _max, то появляется сигнал A_max, формирующий отпирающий импульс. Выходные сигналы ЛС поступают на шесть схем И, на выходы которых также подается напряжение генератора частотой 50 кГц, и выход дифференциатора DD, на вход которого по схеме ИЛИ подаются выходные сигналы ЛС, по фронту сигналов ЛС на выходе DD формируются импульсы длительностью 0.4-0.5мс.

Таким образом, на выходе каждой схемы И появляются импульсы длительностью 0.5 мс, заполненные высокой частотой 50 кГц, причем за период на выходе каждой схемы имеют место два импульса, первый из которых соответствует углу , а второй . Эти импульсы поступают через усилители импульсов на управляющие переходы тиристоров.

В реверсивным ЭП с раздельным управлением двумя комплектами тиристоров возможно применение одного комплекта СИФУ, в которой при переключении управляющих импульсов с одного выпрямительного моста на другой необходимо выполнить некоторые пересоединения.