Главное предназначение тиристорного преобразователя организовать управляемое питание электродвигателя от сети однофазного трехфазного переменного тока.

Установка полупроводниковых элементов осуществляется на одной фазе или на трехфазном мосте.

Существует несколько вариантов комплектования моста – это: комбинация триодов или диодов, или исключительно из тиристоров. При создании моста только из тиристоров достигается получение преобразовательного устройства небольших компактных размеров.

Тип тиристорных регуляторов приспособлен к осуществлению различных решений для совместного применения с двигателями постоянного тока, имеющими независимое возбуждение, кроме электродвигателей с постоянными магнитами, для которых не нужна отдельная цепь для возбуждения. В сочетании с реверсом электродвигателей они входят в группу устройств управления электродвигателями. Для двигателей постоянного тока использование тиристорных преобразователей сопряжено с рядом некоторых трудностей – это постоянное техническое обслуживание, заключаемое в периодической замене графитовых щеток и достижение высоких скоростей работы.

Использование преобразователей для двигателей, работающих от сети переменного тока, в частности, асинхронные двигатели представляется более надежным и рентабельным вариантом, чем использование двигателей постоянного тока.

Асинхронный двигатель обладает лучшей защитой от внешних воздействий и неблагоприятных погодных условий, преобладающее большинство двигателей обладает высокой степенью защиты.

 

 

 

 

Управляемый кремниевый вентиль-тиристор включается, если анод имеет более высокий потенциал, чем катод, и на управляющий электрод подан импульс напряжения положительной полярности. Надежное включение тиристоров в схемах преобразователей переменного тока происходит в том случае, если ток и напряжение управления соответствуют входным характеристикам применяемых вентилей.

Включение и открывание тиристоров в многофазных управляемых схемах выпрямления, например в трехфазной мостовой схеме (рис. 11, а), при непрерывном токе нагрузки происходит 1 раз в каждый положительный полупериод анодного напряжения для вентилей анодной группы. Изменением фазы переднего фронта управляющего импульса относительно переменного напряжения питающей сети можно осуществить регулирование выходного напряжения преобразователя.

Система управления (СУ) тиристорным преобразователем (ТП) должна выполнять следующие задачи:

1. 1) создавать синхронизированную с напряжением питающей сети m-фазную систему импульсов управления, каждый из которых способен включить любой тиристор, применяемый в преобразователе;

2. 2) позволяет сдвигать по фазе импульсы управления относительно анодного напряжения тиристоров.

Для управления тиристорами применяют различные системы, требования к которым определяются спецификой схем преобразовательных установок и общими свойствами тиристоров.

 

Требования,  определяемые  свойствами  тиристоров:

1. 1. Для надежного открывания тиристоров, применяемых в силовых преобразователях, с различными сопротивлениями управляющего перехода необходимый ток управления должен быть не более 300 мА.

2. Так как сопротивление перехода УЭ-К обычно составляет 25 - 40 Ом для тиристоров на I_ан = 100 ÷ 300 А, то напряжение на выходе устройства управления должно быть не более 8 - 12 В. Это свойство тиристоров позволяет применять для систем управления маломощные полупроводниковые приборы, малогабаритные резисторы и конденсаторы.

3. 2. Недопустимо подавать на управляющий электрод тиристоров отрицательное напряжение более 0,5 - 1 В. Наличие отрицательного напряжения на УЭ в обратную полуволну анодного напряжения может привести к увеличению I_0бР тиристора и выходу его из строя.

4. 3. Для четкого отпирания тиристоров и надежной работы преобразователя во всех возможных режимах необходимы управляющие импульсы с крутым передним фронтом около 10⁵А/с и продолжительностью (шириной) около 10 - 15° для обеспечения нарастания тока через тиристор до значения тока удержания.

Для управления тиристорами предпочтительным является применение "узких" импульсов для ограничения мощности, рассеиваемой на управляющем переходе вентиля.

Кроме требований, определяемых общими свойствами тиристоров, от систем управления требуется:

1. обеспечение относительной симметрии управляющих импульсов различных фаз ТП с точностью порядка 1 - 2° во всем диапазоне фазового управления для предотвращения неравномерной загрузки фаз преобразователя;

2. обеспечение необходимого диапазона изменения угла управления а для регулирования напряжения U_d на нагрузке от 0 до максимального значения. Это требование определяет диапазон изменения фазы отпирающих импульсов при непрерывном токе в нагрузке в пределах 0 - 90° для нереверсивных преобразователей и 0 ÷ (155 - 160°) для реверсивных.

 

 

В настоящее время разработано большое количество систем управления тиристорами, число которых непрерывно возрастает. Это обусловлено широким развитием силовой полупроводниковой техники и постоянным расширением областей ее применения.

По используемым методам управления ТП можно выделить группу СУ с импульсно-фазовым управлением. В этих системах осуществляется сдвиг управляющих импульсов по фазе относительно напряжения питания тиристоров. Как правило, такие системы состоят из следующих основных узлов: фазосдвигающего устройства, промежуточного усилителя и формирователя импульсов.

Последовательность процессов получения импульсов и сдвига их по фазе в реальных системах бывает различной. В электромагнитных системах управления переменное напряжение сначала может сдвигаться по фазе или изменяться по форме, а затем происходит формирование из этого напряжения управляющего импульса.

В полупроводниковых СУ, которые в настоящее время считаются наиболее перспективными, формирование управляющего импульса происходит в момент равенства переменного напряжения (синусоидального, треугольного или пилообразного) и наложенного на него постоянного напряжения U_y.

Изменяя величину U_y (сравнивая его по 'вертикали' с переменным напряжением), можно осуществлять сдвиг импульсов управления по фазе в широком диапазоне и обеспечить регулирование выпрямленного напряжения в пределах от 0 до ± U_{d макс} .

 

 

 

Рассмотрим принцип действия управляющего устройства с использованием полуволнового (однополупериодного) магнитного усилителя (ПМУ), схема которого изображена на рис. 28, а. На сердечник из материала с петлей гистерезиса, близкой к прямоугольной, намотаны обмотки: рабочая ω_p, перемагничивающая ω_n, смещения ω_см и управляющая ω_y.

 

Рис. 28. Электромагнитная система управления тиристорами. а — схема одного канала с полуволновым магнитным усилителем; б — петля гистерезиса сердечника; в — временные кривые напряжений.

 

Обмотки w_p и w_n магнитного усилителя питаются от вторичных обмоток ω₂ и ω₃ трансформатора Тр через диоды Д₁ и Д₃ противофазными полуволнами напряжений u_р и u_n. Формирование импульса управления с определенной, фазой, который снимается с сопротивления R₁ происходит в момент перемагничивания сердечника ПМУ.

Предположим, что к началу действия напряжения u_р магнитное состояние сердечника ПМУ характеризовалось точкой 5 на петле гистерезиса (рис. 28, 6). С ростом u_р сердечник будет перемагничиваться от индукции -В_о до индукции насыщения B_S точка 1 на кривой B = f(H). В этом интервале через обмотку ω_p проходит незначительный намагничивающий ток i₀ и на сопротивлении R₁будет небольшое падение напряжения

u_ВЫХ = i_oR₁

В момент времени t₁ сердечник ПМУ насыщается (рис. 28, в), индуктивное сопротивление рабочей обмотки резко уменьшается и все напряжение u_р практически прикладывается к сопротивлению R₁. С выхода схемы снимается импульс напряжения u_им, который поступает на управляющий электрод тиристора.

К моменту t₂ ток в обмотке ω_р уменьшается до нуля, а в обмотке w_n появляется отрицательное напряжение - u_n и, начиная с момента t₃, сердечник ПМУ будет перемагничиваться от индукции B₃ до начальной индукции - В_о. Глубина размагничивания сердечника зависит от значения управляющего напряжения U_y и числа витков обмотки ω_y, намагничивающая сила Н_у которой противодействует размагничивающей н. с. обмотки ω_n.

Если U_у = 0, то сердечник будет размагничиваться до В₀ = -B_s за время действия напряжения u_n. При максимальном значении напряжения U_y сердечник ПМУ размагничиваться практически не будет и момент насыщения наступает в начале полупериода напряжения u_р  (момент t₅ на рис. 28, в; для наглядности здесь показано -U_y).

Таким образом, момент начала формирования управляющего импульса зависит от величины напряжения U_y на обмотке ω_y магнитного усилителя. Изменяя величину сигнала управления U_у, можно менять угол сдвига ɑ управляющего импульса u_им относительно начала положительного полупериода напряжения u_р, т. е. регулировать момент отпирания тиристора. Зависимость ɑ = f(U_y) называется  регулировочной  характеристикой  системы  управления. Указанная характеристика для электромагнитной СУ с ПМУ представлена графически на рис. 29. Диапазон изменения угла ɑ теоретически может быть равен 180°, но из-за изменения амплитуды выходного импульса он используется лишь в пределах 110 - 120°.

 

Рис. 29. Регулировочная характеристика электромагнитной системы управления с ПМУ.

 

Для ограничения тока управления последовательно с УЭ тиристора включается сопротивление R₂. Диод Д₁ препятствует размагничиванию сердечника ПМУ в отрицательный полупериод напряжения u_р, а диод Д₃ — намагничиванию сердечника в положительный полупериод напряжения u_п. Диод Д₂ исключает подачу отрицательных импульсов напряжения u_им на УЭ тиристора.

Изменяя с помощью резистора R₄ значение тока в обмотке ω_см, которая питается от независимого источника постоянного тока, можно выбрать начальное значение угла регулирования ɑ₀ тиристорного преобразователя при отсутствии сигнала на входе СУ, т. е. при U_у = 0.

Для управления m-фазным преобразователем СУ должна иметь m блоков, показанных на рис. 28, а, напряжения u_вых которых должны быть синхронизированы с напряжениями на анодах тиристоров. Обмотки ω_y отдельных блоков соединяются последовательно и подключаются к общему источнику управляющего напряжения U_y тиристорным преобразователем.

Достоинством данной системы управления являются простота выполнения и надежность в работе, простота компоновки многофазной СУ и возможность получения нескольких изолированных выходов, что облегчает управление тиристорами при их последовательном или параллельном соединении, а также удобство суммирования сигналов управления.

Недостатком рассмотренной СУ является ограниченный диапазон изменения угла управления (около 110 - 120°) при питании ПМУ синусоидальным напряжением, непостоянство амплитуды управляющего импульса и его сравнительно небольшая крутизна. При питании ПМУ прямоугольным напряжением (например, от магнитно-транзисторного мультивибратора), синхронизированным с напряжением питания ТП, диапазон изменения угла регулирования ɑ можно получить близким к 180°, при этом сохраняется постоянство амплитуды управляющего импульса.

 

 

 

Принципиальная схема одного канала полупроводниковой СУ приведена на рис. 30, а. На вход системы подаются два напряжения: близкое к пилообразной форме переменное напряжение u_п и управляющее напряжение постоянного тока U_y, изменяемое по величине и полярности в зависимости от режима работы тиристорного преобразователя.

Пилообразное напряжение формируется с помощью трех однофазных трансформаторов Тр₁, Тр₂ и Тр₃, первичные обмотки которых могут быть соединены в звезду или треугольник, а напряжения вторичных обмоток с помощью сопротивлений R₁ и R₂, а также диодов Д₁ и Д₂ алгебраически складываются.

 

Напряжение u_п является суммой противофазного синусоидального напряжения -u_с и двух полусинусоид напряжений +u_а и -u_b .Форма получаемого таким образом напряжения u_п, приближающегося к пилообразному, приведена на рис. 30, б. Продолжительность рабочего участка составляет 240°, а нерабочего 120°.

Первичные обмотки трансформаторов Тр₁, Тр₂ и Тр₃ включаются в сеть питания таким образом, чтобы напряжение u_п пересекало ось времени (рис. 31, а) со сдвигом по фазе на 90° по отношению к точке естественного открывания тиристора, включенного под напряжение u_а.

На пилообразное напряжение u_п накладывается напряжение управления U_y, и их алгебраическая сумма подается на вход транзисторного каскада на триодах ПТ₁ и ПТ₂, включенных по схеме с общим эмиттером.

В момент, когда сумма напряжений U_y и u_п будет равна нулю (рис. 31, 6), т. е.

U_у + u_п(ωt) = 0,                                                                                                             (58)

триод ПТ₁ открывается и в его коллекторной цепи проходит ток, имеющий форму прямоугольных импульсов. Снимаемый с коллектора триода ПТ₁ импульс напряжения (рис. 31, в) подается на базу триода ПТ₂, который усиливает его и изменяет фазу на 180° (рис. 31, г). Сигнал с выхода транзистора ПТ₂ дифференцируется емкостью С₁. Образующийся при этом положительный импульс срезается диодом Д₄ (рис. 31, д), а отрицательный через диод Д₅ поступает на базу транзистора ПТ₃ и запускает ждущий блокинг-генератор, выполненный на составном транзисторе ПТ₃ — ПТ₄ с положительной трансформаторной обратной связью (обмотка ω₂).

 

Рис. 31. Диаграмма напряжений на элементах полупроводниковой системы управления.

 

При подаче на базу триода ПТ₃ отрицательного импульса открывается триод ПТ₄. В первичной обмотке ω₁ трансформатора Тр₄ проходит при этом ток, и в сердечнике создается магнитный поток, наводящий в обмотке ω₂ э.д.с., которая поддерживает ток в базе триода ПТ₄ и после окончания импульса на входе блокинг-генератора.

С выходной обмотки wз трансформатора Тр₄ снимается управляющий импульс с крутым передним фронтом (рис. 31, е) и через диод Д₈ подается на управляющий электрод тиристора, Высокая крутизна фронта выходного импульса обеспечивается большим коэффициентом усиления составного транзистора и положительной обратной связью каскада.

Диапазон изменения фазы управляющего импульса в такой системе составляет 200 - 210° (против теоретического в 240°), так как при больших углах прекращается четкая фиксация момента пересечения опорного напряжения u_п с напряжением управления U_y.

Для предотвращения срабатывания блокинг-генератора от коротких ложных импульсов (наводок) цепь база - коллектор транзистора ПТ₃ шунтируется емкостью С₂. Для защиты транзисторов ПТ₃ — ПТ₄ от перенапряжений, возникающих на обмотках трансформатора Тр₄ при снятии импульсов, первичная обмотка ω₁ шунтируется разрядной цепочкой R₆ - С₆. Для защиты управляющего электрода тиристора от значительных отрицательных напряжений включается диод Д₈. Снижение напряжения между коллектором и базой транзистора ПТ₁ при положительном сигнале на базе достигается включением диода Д₃, который выравнивает потенциалы базы и эмиттера данного транзистора при u_b > 0.

В трехфазной мостовой схеме выпрямления (см. рис. 11, б) одновременно должны работать два тиристора: один - в анодной, другой - в катодной группах. При этом каждый вентиль одной группы работает поочередно с двумя вентилями другой группы (см. рис. 11, г). Для включения тиристоров данной схемы в нужные моменты времени рассматриваемая полупроводниковая система управления позволяет получать с помощью логической схемы сложения на диодах Д₅ и Д₇ два узких отпирающих импульса, сдвинутых на 60°.

 

Рис. 32. Принципиальная схема блока пилообразного напряжения.

 

На базу транзистора ПТ₃ через диод Д₅ поступает импульс с формирователя фазы (транзистор ПТ₁) данного блока управления. Сюда же через диод Д₇ приходит импульс с блока управления тиристором второй группы, работающего в паре с тиристором первой группы, но фаза отпирания которого отстает на 60°. С катода диода Д₅ уходит импульс на блок управления тиристором второй группы, также работающего в паре с тиристором первой группы, но первоначальный момент отпирания его опережает на 60° момент отпирания тиристора первой группы.

Таким образом, обеспечивается строго одновременная подача импульсов на управляющие электроды одновременно работающих тиристоров, что необходимо для правильной коммутации вентилей преобразователя в области прерывистых токов.

 

Рис. 33. Регулировочная характеристика полупроводниковой СУ (а), подключение блоков управления к напряжению Uу (б) и схема включения тиристоров (в).

 

Для управления m-фазным выпрямителем полупроводниковая СУ должна иметь столько таких каналов, сколько фаз выпрямления содержит преобразователь. Так, для управления трехфазным мостовым выпрямителем в СУ должно быть шесть каналов формирования отпирающих импульсов.

Для получения шести электрически изолированных напряжений u_п в СУ имеется блок пилообразного напряжения (БПН), выполненный на трех однофазных трансформаторах Тр₁, Тр₂ и Тр₃, каждый из которых имеет одну первичную и шесть вторичных обмоток. На рис. 32 показана принципиальная схема БПН для шестиканальной полупроводниковой СУ.

Управляющее напряжение U_y является общим для всех шести каналов формирования импульсов и подается между параллельно включенными эмиттерами триодов ПТ₁(рис. 30, а) всех каналов и общим выводом 7 блока БПН (рис. 32). На рис. 33, а приведена характеристика ɑ = f(U_y) полупроводниковой системы управления ТП.

 

 

Для правильной и надежной работы тиристоров в управляемом преобразователе необходимо тщательно сфазировать СУ вентилями, т. е. нужно обеспечить строгую последовательность подачи отпирающих импульсов на тиристоры по отношению к питающему напряжению.

Рассмотрим процесс фазировки СУ на примере трехфазной мостовой схемы выпрямления (см. рис. 15, а), в которой применяется полупроводниковая СУ, обеспечивающая подачу на каждый тиристор два узких импульса, сдвинутых по фазе на 60°.

Ранее было отмечено, что в трехфазной мостовой схеме одновременно работают два тиристора, поэтому блоки управления (БУ) соединяются по два, и каждая пара синхронизируется с одной из фаз вторичной обмотки трансформатора (рис. 33, б и в).

Проверка фазировки системы управления производится с помощью электронного осциллографа, например типа ЭО-7, С1-19 и другие, горизонтальную развертку которого следует отрегулировать так, чтобы на экране укладывалась синусоида напряжения u_2ф (рис. 34, а) в удобном для наблюдения масштабе.

Рис. 34. Фазировка системы управления трехфазной мостовой схемы выпрямления. а — градуировка осциллографа; б — кривые напряжений на тиристорах и расположение отпирающих импульсов при (2=90°.

 

Отрегулировав развертку осциллографа и отключив питание СУ, следует поочередно просмотреть на экране и зарисовать на миллиметровую бумагу кривые фазных напряжений, подаваемых на аноды (катоды) тиристоров Т₁ — Т₃—Т₅(Т₄— Т₂ — Т₆), и отметить на оси времени (рис. 34, б) начало и концы положительных полупериодов напряжений u_2а, u_2b и u_2с, последовательность фаз которых должна соответствовать принятой в энергосистемах, т. е. А — В — С.

Затем следует отключить силовой трансформатор и включить питание СУ. Поочередно присоединяя к выходным зажимам БУ осциллограф, необходимо убедиться в том, что каждая пара отпирающих импульсов на тиристорах катодной (Т₁ — Т₃ — Т₅) и анодной (Т₂ — T₄ — Т₆) групп сдвинута между собой на 120° и имеет такой же порядок чередования, как и напряжения u_2а, u_2b и u_2с на тиристорах Т₁(Т₄), Т₃(Т₂) и Т₅(Т₆).

Далее производят начальную установку отпирающих импульсов со сдвигом на 90° относительно точек естественного открывания тиристоров (рис. 34, б). Это достигается подбором соединения первичных обмоток трансформаторов Тр₁, Тр₂ и Тр₃ блока БПН, вследствие чего происходит сдвиг по фазе пилообразных напряжений u_п каналов управления.

Сдвиг на 90° начальных импульсов управления каждой пары относительно точек естественного открывания тиристоров соответствует на диаграмме трехфазного напряжения началам положительных полуволн напряжений последующих фаз (моменты t1, t3, t5 ... на рис. 34, 6) для тиристоров Т₁ —  Т₃ — T₅ и концам тех же полуволн напряжений (моменты t₄, t₆, t₈ ...) для тиристоров Т₄ — Т₆ — Т₂.

Точная установка начального значения угла регулирования ɑ₀ = 90° для каждого тиристора схемы выпрямления производится изменением u_см, подаваемого на базу входного триода ПТ₁, каждого канала СУ путем подбора резистора R_{c м} (см. рис. 30, а).

После проведения фазировки системы управления следует произвести пробное включение преобразователя и регулировку выпрямленного напряжения. Для этого к выходным зажимам выпрямителя необходимо подключить соответствующего значения нагрузочное сопротивление, вольтметр постоянного тока и электронный осциллограф. Затем подается питание на СУ, силовой трансформатор ТС и задающий потенциометр, с которого снимается напряжение U_y для подачи в систему управления.

Плавно изменяя напряжение на входе СУ, следует убедиться в соответствующем изменении напряжения на выходе выпрямителя по вольтметру, а с помощью осциллографа просмотреть форму выходного напряжения U_d при различных значениях углов регулирования ɑ. При правильной работе преобразователя все тиристоры должны быть равномерно загружены током, а напряжение U_d должно иметь форму, соответствующую схеме выпрямления.