9.4. Системы управления преобразователями

Полупроводниковые преобразователи представляют довольно сложные устройства и помимо силового оборудования (вентильного блока В и силового трансформатора Тр) содержат систему управления и защиты преобразователя.

В систему управления и защиты преобразователя входят: система управления вентилями преобразователя (СУ), блок токовой отсечки (БО), предназначенный для подачи сигнала на запирание преобразователя при коротких замыканиях и перегрузках, и автоматический регулятор (АР), обеспечивающий стабилизацию либо регулирование выходных параметров преобразователя, измеряемых с помощью датчика (Д).

Система управления вентилями преобразователя предназначена для формирования и генерирования управляющих импульсов определенной формы и длительности, распределения их по фазам и изменения момента подачи на управляющие электроды вентилей преобразователя.

Изменение момента подачи управляющих импульсов осуществляется по сигналу от автоматического регулятора или программного устройства, что позволяет управлять выходными параметрами преобразователя в требуемом диапазоне.

Требования, предъявляемые к системам управления полупроводниковыми преобразователями, определяются типом вентилей, применяемых в нем, режимом работы (выпрямительный, инверторный, реверсивный, нереверсивный) и характером нагрузки, на которую он работает.

Основными требованиями к системам управления являются:

- достаточная для надежного отпирания вентиля амплитуда напряжения и тока управляющего импульса; для тиристоров 10-20 В, 20-2000 mА; для двух операционных тиристоров 3–10 В, 3–400 мА; для транзисторов 0,5–3 В; 0,1–2 А; для IGBT транзисторов 0,5-3,5 B; 3-25 мA;

- крутизна фронта управляющих импульсов (в полупроводниковых системах управления крутизну переднего фронта импульса следует выбирать до 10 В/мкс);

- широкий диапазон регулирования, определяемый типом преобразователя, режимом его работы и характером нагрузки;

- симметрия управляющих импульсов по фазам.

В связи с тем, что после отпирания тиристора цепь управления не оказывает влияния на его состояние и тиристор запирается только тогда, когда анодный ток становится меньше тока отпирания, для управления тиристором достаточны короткие импульсы. Поэтому в настоящее время импульсный способ управления из-за простоты и экономичности нашел наиболее широкое распространение в преобразовательной технике.

Для тиристоров может быть использован импульс длительностью 2m/π, где т – число фаз выпрямления. Однако для уменьшения мощности, выделяющейся в управляющем р–n переходе, а также мощности системы управления целесообразно иметь возможно более узкий управляющий импульс. Длительность этого импульса должна быть такой, чтобы за время его действия анодный ток тиристора достиг значения тока удержания. Недостаточная длительность импульса может привести к тому, что нормальная работа преобразователя окажется невозможной.

В связи с тем, что в трехфазном мостовом преобразователе моменты отпирания вентилей катодной и анодной групп сдвинуты во времени на 1/6 часть периода напряжения питания, пуск и работа вентильного преобразователя в области прерывистых токов возможны или при длительности управляющих импульсов больше 60°, или при подаче на управляющий электрод последовательно через каждые 60° двух других импульсов.

Системы управления, в которых управляющий сигнал имеет форму импульса, фазу которого можно регулировать, называют импульсно-фазовыми.

В зависимости от того, в одном или в 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 системы.

Системы управления могут быть синхронными и асинхронными. При синхронном импульсно-фазовом управлении угол подачи управляющего импульса отсчитывается от определенной фазы напряжения сети, питающей преобразователь. Синхронное управление в настоящий момент является общепринятым.

При асинхронном импульсно-фазовом управлении угол подачи управляющего импульса отсчитывается от момента подачи предыдущего импульса и не связан в явном виде с координатами сети, т. е. не синхронизирован с сетью питания.

При горизонтальном управлении управляющий импульс формируется в момент перехода синусоидального напряжения через нуль, а изменение его фазы обеспечивается изменением фазы синусоидального напряжения, т. е. смещением этого напряжения по горизонтали. Горизонтальное управление не нашло широкого распространения.

При вертикальном управлении управляющий импульс формируется в результате сравнения переменного (синусоидального, пилообразного, треугольного) и постоянного напряжений.

B современных преобразователях управляющие импульсы формирует микропроцессор в соответствии с программой и сигналами с датчиков обратной связи.