6. СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРАМИ

Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется подачей сигнала на управляющий электрод тиристора. Существует несколько методов управления тиристорами: амплитудный, фазовый и широтно-импульсный. Рассмотрим особенности каждого из этих методов и возможности их применения при построении устройств управления тиристорами.

Амплитудное управление основано на изменении напряжения переключения тиристора при протекании тока через управляющий переход. При этом увеличение тока управления приводит к уменьшению напряжения переключения (рис. III.24, в), т. е. каждому уровню тока управления соответствует определенный уровень анодного напряжения при котором включается

тиристор. Указанный способ управления тиристором применим только при питании усилителя переменным напряжением, мгновенное значение которого изменяется в течение полупериода. С помощью диаграммы, показанной на рис. III.25, а, можно пояснить принцип амплитудного управления для случая синусоидального питающего напряжения и однополупериодного выпрямления. При этом амплитудный метод управления допускает двукратное регулирование напряжения на нагрузке.

К недостаткам амплитудного метода управления следует отнести, во-первых, неоднозначность характеристик вход — выход (зависимости выходного напряжения от величины сигнала управления) тиристорного усилителя, обусловленную значительным разбросом входных характеристик тиристоров и их существенной зависимостью от температуры, и, во-вторых, увеличение потерь в тиристоре за счет протекания тока через управляющий переход в течение всего периода питающего напряжения.

Из-за отмеченных недостатков амплитудный метод находит весьма ограниченное применение.

Рис. III.25. Диаграммы изменения переменных тиристорного усилителя при различных методах управления: а — амплитудный; — напряжение сети; — напряжение включения тиристора при угле включения — минимальное значение напряжения управления; — напряжение на нагрузке; б — фазовый; в — широтно-импульсный; — импульсное напряжение управления

Фазовый метод управления основан на изменении фазы управляющего сигнала относительно фазы питающего анодную цепь тиристора переменного напряжения или на изменении угла (интервала) между фиксированным моментом выключения тиристора и моментом его включения.

Фазовый метод можно подразделить на амплитудно-фазовое управление, когда на управляющий электрод тиристора подается синусоидальное напряжение, фаза которого изменяется относительно фазы питающего (анодного) напряжения, и фазоимпульсное управление, когда тиристор открывается импульсом тока с регулируемой фазой. При первом способе управления процессы открытия тиристора полностью аналогичны процессам, происходящим при амплитудном управлении, но при этом диапазон регулирования

существенно расширяется. Наиболее рациональным является фазоимпульсный способ управления, обеспечивающий наилучшие энергетические характеристики тиристорных усилителей. При фазоимпульсном способе управления (в дальнейшем будем называть его фазовым методом) в качестве управляющего сигнала используются импульсы, длительность которых, как правило, не превышает полупериода питающего напряжения. Учитывая, что время включения тиристора мало, для управления им используют обычно кратковременные импульсы длительностью от нескольких единиц до сотен микросекунд. Амплитуда управляющих импульсов тока должна превышать ток управления спрямления и выбираться в соответствии с диаграммой (рис. III. 24, г).

С помощью диаграммы, приведенной на рис. III. 25, б, можно пояснить фазовый метод управления тиристором. Изменяя фазу управляющего импульса в пределах регулируют напряжение на нагрузке от максимального значения до нуля. При фазовом методе управления полностью исключается влияние разброса входных параметров тиристора, температуры окружающей среды и переходов, а также формы питающего напряжения на характеристики вход — выход усилителя.

К достоинствам фазового метода управления следует отнести также малые потери в управляющем переходе тиристора благодаря кратковременности управляющего импульса. Фазовый метод управления получил наибольшее распространение при построении тиристорных усилителей любой мощности.

Широтно-импульсное управление тиристором основано на изменении соотношения между длительностью открытого и закрытого состояния тиристора (на изменении скважности). Широтно-импульсное управление применяется в тиристорных усилителях с выходом как на переменном, так и на постоянном токе. В обоих случаях изменяется соотношение между числом полупериодов питающего напряжения, приложенных к нагрузке через открытый тиристор, и числом полупериодов, приложенных к закрытому тиристору.

Диаграммы, с помощью которых поясняется принцип широтноимпульсного управления тиристором, приведены на рис. III.25, в. Управляющие сигналы могут вырабатываться в виде прямоугольных импульсов с переменной скважностью или в виде пачек кратковременных импульсов с переменной скважностью, подаваемых в начале полупериодов питающего напряжения.

При питании тиристорного усилителя от сети постоянного тока после каждого управляющего импульса должно производиться отключение тиристора. Для этого необходимо дополнительное устройство отключения, синхронизированное с устройством управления. Широтно-импульсный метод управления может использоваться при построении тиристорных усилителей любой мощности. При этом наиболее эффективно использовать его при питании усилителей от сети постоянного тока.

К существенным недостаткам широтно-импульсного метода управления следует отнести значительно меньшее быстродействие усилителя, чем в случае применения фазового метода управления тиристором, в связи с тем, что время чистого запаздывания при широтно-импульсном управлении составляет несколько периодов питающего напряжения.

Рассмотрим принципы построения некоторых устройств управления тиристорами при фазовом методе управления, исходя из требований, предъявляемых к цепям управления и управляющим сигналам тиристоров. Управление тиристором желательно осуществлять с помощью импульсного сигнала малой длительности, несколько превышающей время включения тиристора. Требуемый диапазон изменения фазы управляющего импульса в зависимости от типа регулятора мощности может лежать в пределах от долей полупе-риода до периода питающего напряжения. При построении многофазных усилителей должна обеспечиваться также максимально возможная симметрия управляющих импульсов, во избежание появления в нагрузке постоянной составляющей тока, которая нарушает нормальный режим работы устройства.

При формировании управляющего сигнала необходимо обеспечить достаточно крутой передний фронт импульса, что уменьшает потери в тиристоре при включении, а также повышает симметрию управляющих импульсов.

Фазовый метод управления может быть реализован несколькими способами.

«Вертикальный» способ управления основан на сравнении переменного (опорного) и постоянного напряжения сигнала управления. При равенстве мгновенных значений этих напряжений вырабатывается импульс, который усиливается и подается на управляющий электрод тиристора. Изменение фазы управляющего импульса достигается изменением уровня сигнала управления постоянного тока. На рис. III.26, а приведена блок-схема реализации этого способа, а на рис. III.26, б — диаграммы, поясняющие принцип ее работы.

Опорное напряжение, например, пилообразной формы, вырабатываемое генератором переменного напряжения (ГПН) и синхронизируемое с напряжением сети с помощью синхронизирующего устройства подается на устройство сравнения (УС), на которое одновременно подается и управляющее напряжение с предварительного усилителя (ЛУ). Сигнал с устройства сравнения поступает на формирователь импульсов а затем в виде мощного, регулируемого по фазе импульса подается на управляющий электрод тиристора. Функции отдельных устройств могут быть совмещены и количество их может быть соответственно уменьшено. Так, например, могут быть совмещены функции ГПН и СУ, УС и ФИ и идр.

Управление с помощью импульсных трансформаторов. Этот способ основан на изменении момента перемагничивания насыщающегося трансформатора при

(кликните для просмотра скана)

одновременном воздействии на него переменного и постоянного тока. На рис. III.27, а приведена блок-схема реализации этого способа. В отличие от вертикального способа управления здесь сравнение опорного и управляющего напряжений производится по ампер-виткам переменного и постоянного тока, намагничивающего импульсный трансформатор При равенстве намагничивающих сил и (рис. III.27, в) в момент сердечник трансформатора перемагничивается и на обмотке возникает импульс напряжения . Напряжение на подается от генератора переменного тока и предварительного усилителя ПУ. Как и в предыдущем случае, полученный сигнал подается на формирователь импульсов ФИ.

Рис. III.28. Фазосдвигающее устройство. а — блок-схема; б — принципиальная схема

Принципиальная схема фазоимпульсного устройства с импульсным трансформатором приведена на рис. III.27, б, а диаграммы, поясняющие принцип ее работы, на рис. III.27, в [3].

Управление с помощью фазосдвигающих мостов основано на том, что изменение величины реактивных LC-сопротивлений в плечах моста приводит к изменению фазы напряжения на выходной диагонали моста относительно фазы питающего напряжения на входной его диагонали. Блок-схема реализации этого способа управления приведена на рис. Отличительная особенность данной схемы — наличие фазосдвигающего устройства ФСУ.

Принципиальная схема устройства управления с фазосдвигающим RC-мостом приведена на рис. III.28, б. В качестве регулируемого активного сопротивления используется транзистор Т. На выходе моста вырабатывается синусоидальное напряжение с регулируемой фазой, которое преобразуется в импульсы с помощью формирователей импульсов, аналогичных рассмотренным при «вертикальном» способе управления.

Управление с помощью магнитных усилителей (МУ) основано на использовании зависимости угла

насыщения сердечников МУ от величины управляющего сигнала. Напряжение на выходе МУ представляет собой импульсы с достаточно крутым фронтом, которые могут непосредственно подаваться на управляющий электрод тиристора. Обычно так строятся относительно маломощные тиристорные усилители. При построении мощных тиристорных усилителей на выходе МУ включаются формирователи импульсов, в качестве которых, как и в предыдущих случаях, целесообразно использовать ждущий блокинг-генератор или маломощный тиристор. Блок-схема усилителя приведена на рис. III.29, а.

Рис. III.29. Фазовое управление тиристором с магнитным усилителем: а — блок-схема; б — принципиальная схема; — балластное сопротивление нагрузки МУ; в — диаграммы изменения переменных; U — напряжение на балластном сопротивлении

Схема простейшего фазосдвигающего устройства на магнитном усилителе и диаграмма выходных напряжений приведены на рис. III.29, б, в.

Передаточная функция тиристорного усилителя с управлением от небыстродействующего МУ может быть представлена инерционным звеном первого порядка с постоянной времени, равной постоянной времени МУ:

При использовании быстродействующих схем МУ управляющее устройство может быть представлено как звено с чистым запаздыванием, равным полупериоду питающего напряжения.

Следует отметить, что применение МУ обеспечивает простоту устройства управления, высокую надежность, исключение отдельного синхронизирующего устройства и возможность суммирования на входе МУ большого количества сигналов.

К недостаткам фазосдвигающих устройств на МУ следует отнести фазовую несимметрию выходных импульсов из-за разброса параметров магнитных сердечников и большую инерционность тиристорного усилителя при применении в качестве фазосдвигающих устройств обычных (небыстродействующих) схем МУ.

Рассмотренные выше фазоимпульсные устройства отличаются друг от друга способом регулирования фазы управляющего импульса. Однако сам импульс во всех случаях формируется однотипными специальными устройствами в виде ждущего блокинг-генератора, маломощного тиристорного усилителя и т. п.

Блок-схема реализации широтно-импульсного способа управления приведена на рис. III.30. В качестве широтно-импульсного модулятора (ШИМ) возможно использовать любое из перечисленных ранее устройств, формирующих импульсы с переменной скважностью, однако частота следования этих импульсов должна быть по крайней мере, на порядок ниже частоты сети, питающей тиристорный регулятор.

Рис. III.30. Широтно-импульсное управление тиристором: — блок-схема; — принципиальная схема

Полученные импульсы усиливаются, - в общем случае, усилителем У до уровня, достаточного для открытия тиристора (рис. III.30, а).

Учитывая, что включение тиристоров длительными импульсами энергетически невыгодно, целесообразно подавать на усилительное устройство синхронизирующие импульсы с которые вырабатываются в начале каждого полупериода питающего напряжения и усиливаются усилителем У. В этом случае сигнал с широтно-импульсного модулятора является разрешающим сигналом, обеспечивающим прохождение импульса только во время своего появления. Пример построения подобной схемы приведен на рис. III.30, б.

Описанные выше способы и устройства управления рассматривались применительно к-цепям управления тиристорами с питанием от сети переменного тока. Практически все рассмотренные способы и схемы могут быть применены и при управлении тиристорами с питанием их от сети постоянного тока.

Поскольку необходимым элементом тиристорного усилителя мощности является предварительный усилитель постоянного или переменного тока, то стабилизация системы автоматического регулирования с тиристорным усилителем осуществляется введением обратных связей с корректирующими звеньями постоянного (или переменного) тока непосредственно на вход предварительного усилителя.

Передаточная функция тиристорного усилителя может быть представлена как произведение передаточных функций трех типовых динамических звеньев — входного усилителя, тиристорного регулятора и нагрузки:

Передаточная функция тиристорного регулятора может быть представлена в виде передаточной функции звена с чистым запаздыванием.