УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ТИРИСТОРОМ Российский патент 2024 года по МПК H02M1/92 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к силовым высоковольтным преобразователям, и может быть использовано в устройствах управления тиристорами регулируемых выпрямителей и электродвигателей.

Устройство предназначено для управления силовыми тиристорами в условиях высоких уровней электромагнитных помех и требований к надежности функционирования преобразовательной техники.

Для бесперебойной работы силовых тиристоров как управляемых электронных ключей необходимо обеспечить определенную форму и значения импульсов напряжения и тока на управляющем электроде тиристора. При отпирании последнего как правило используется форсировка в начале импульса, когда в зависимости от типа тиристора амплитуда напряжения превышает 10 В, а ток 1 А. Скорость нарастания должна быть более 10 В/мкс и 1 А/мкс. На этапе удержания открытого состояния тиристора значения напряжения и тока уменьшаются в 3…5 раз. Запирание тиристора осуществляется установкой сигнала управления в нуль или противоположной полярности.

Известно устройство для управления тиристором [RU 2006150 C1, МПК H02M 1/08 (1990.01), опубл. 15.01.1994], содержащее первый резистор, первый вывод которого подключен к источнику управляющих импульсов, а второй соединен с первым выводом второго резистора и базой транзистора, блок гальванической развязки, выходные зажимы которого подключены к управляющим выводам тиристора, а входные зажимы включены последовательно с коллектором и эмиттером транзистора и выходными выводами источника питания. Терморезистор, установленный на корпусе тиристора, включен параллельно третьему резистору между вторым выводом второго резистора и эмиттером транзистора.

Устройство в холодном состоянии тиристора, то есть при его запуске формирует форсированный импульс управления для быстрого и надежного отпирания тиристора. Затем по мере разогревания последнего снижает уровни напряжения и тока до значений, достаточных для удержания открытого состояния тиристора.

Недостатком устройства является, во-первых, сложность конструкции ввиду необходимости крепления терморезистора на тиристор и во-вторых, низкая помехоустойчивость из-за гальванического соединения терморезистора с управляющим входом (базой-эмиттер) транзистора. Электромагнитные помехи при выключении тиристора, наводящиеся на соединительных проводах и термисторе, приводят к спорадическому отпиранию транзистора и тиристора.

Известен формирователь импульсов управления тиристором [SU 1591149 А1, МПК H02M 1/08, опубл. 07.09.1990], содержащий управляемый генератор двухполярных импульсов прямоугольной формы, входы которого подключены к источнику запускающих сигналов, а выходы соединены с первичной обмоткой выходного трансформатора, первый, второй, третий и четвертый резисторы, коаксиальный кабель, мостовой выпрямитель и дифференцирующий трансформатор. Входы мостового выпрямителя подключены к вторичной обмотке выходного трансформатора, а к его выходу подключен конденсатор. Положительный вывод мостового выпрямителя через последовательно соединенные первый диод и первый резистор соединен с управляющим электродом тиристора, а его отрицательный вывод - с катодом тиристора. К катоду тиристора также подсоединена оплетка коаксиального кабеля. Первичная обмотка дифференцирующего трансформатора соединена с входами управляемого генератора двухполярных импульсов прямоугольной формы, а вторичная обмотка - с переходом база-эмиттер транзистора, эмиттер которого через последовательно соединенные второй диод и второй резистор подключен к точке соединения первого диода и первого резистора. Параллельно переходу база-коллектор транзистора подключен третий диод в непроводящем направлении. Параллельно тиристору подключены последовательно соединенные третий и четвертый резисторы, точка соединения которых соединена с жилой коаксиального кабеля и коллектором транзистора.

С целью уменьшения потерь при включении тиристора также при запуске на отпирание по первому каналу, состоящим из дифференцирующего трансформатора, второго, третьего, четвертого резисторов, коаксиального кабеля, второго, третьего диодов и транзистора формируется импульс управления с большой амплитудой и крутыми фронтами. После окончания форсированного импульса напряжение и ток удержания открытого состояния тиристора формируются вторым каналом, состоящим из остальных элементов устройства.

Недостатком устройства является большие массогабаритные показатели из-за использования трансформаторов, трудность использования данного технического решения в высоковольтных схемах ввиду необходимости применения резистивного делителя, шунтирующего тиристор. Существенным недостатком является также низкая помехоустойчивость, обусловленная тем, что из-за гальванической связи резистивного делителя силовой цепи тиристора с маломощной цепью управления электромагнитные помехи через транзистор первого канала отпирают закрытый тиристор.

Известен драйвер управления силовыми транзисторами с повышенной помехоустойчивостью [RU 2771861 C1, МПК H02M1/08 (2006.1), опубл. 13.05.2022], содержащий гальванически развязанную цепь управления, промежуточный усилитель и выходной формирователь токов затвора, две линии связи управления с отдельными каналами приема сигналов на включение и выключение внешнего силового транзистора, первый и второй канал. Каналы содержат первый и второй фильтры нижних частот, устройство блокировки верхнего плеча выходного формирователя токов затвора, формирователь постоянного напряжения и балластный резистор. Цепь управления состоит из первого и второго входных устройств. Промежуточный усилитель состоит из первого и второго усилителей, а выходной формирователь токов затвора состоит из двух транзисторов, p-n-p типа верхнего плеча и n-p-n типа нижнего плеча. Входы первого и второго фильтров нижних частот служат для электрического подключения внешних управляющих сигналов, на включение и выключение внешнего силового транзистора, соответственно. Выходы первого и второго фильтров нижних частот подключены к входам первого и второго входных устройств, соответственно. Выход первого входного устройства подключен к входу первого усилителя. Выход второго входного устройства подключен к входам второго усилителя и устройства блокировки верхнего плеча. Выход первого усилителя соединен с базой транзистора верхнего плеча и вторым выходом устройства блокировки верхнего плеча. Выход второго усилителя соединен с базой транзистора нижнего плеча. Коллекторы транзисторов верхнего и нижнего плеча соединены между собой и подключены к первому выводу балластного резистора, а также к выходу управления внешним силовым транзистором. Эмиттер транзистора верхнего плеча подключен ко второму выводу формирователя постоянного напряжения, первый вывод которого подключен к шине положительного напряжения питания постоянного тока и первому выходу устройства блокировки верхнего плеча. Эмиттер транзистора нижнего плеча подключен ко второму выводу балластного резистора и к шине отрицательного напряжения питания постоянного тока. Первый канал приема сигнала на включение внешнего силового транзистора образован из последовательно включенных первого фильтра нижних частот, первого входного устройства, первого промежуточного усилителя, устройства блокировки верхнего плеча, формирователя постоянного напряжения и транзистора верхнего плеча, а второй канал приема сигнала на выключение внешнего силового транзистора образован из второго фильтра нижних частот, второго входного устройства, второго промежуточного усилителя и транзистора нижнего плеча.

В устройстве управление работой внешнего силового транзистора осуществляется по раздельным каналам включения и выключения этого транзистора. В режиме выключения задействуется устройство блокировки верхнего плеча и на управляющий затвор транзистора подается запирающее напряжение отрицательной полярности.

Недостатком устройства является сложность технической реализации - наличие сравнительно большого числа узлов в каналах, а также необходимость использования двух источников питания разной полярности.

Известно устройство управления высоковольтными тиристорами [RU 2421866 C1, МПК H02M 1/092 (2006.01), опубл. 20.06.2011], выбранное в качестве прототипа, содержащее систему импульсно-фазового управления, высокочастотный автогенератор, блоки управления по числу высоковольтных тиристоров, каждый из которых содержит выпрямители, развязывающий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены на входы выпрямителей, резисторы. В каждый блок управления содержит оптоприемник, одновибратор, транзисторные ключи, силовые входы которых соединены с выходами соответствующих выпрямителей, а входы управления соединены с выходом оптоприемника. При этом один транзисторный ключ входом соединен с оптоприемником непосредственно или через введенный логический элемент, а другой транзисторный ключ соединен входом с оптоприемником через одновибратор. Выходы транзисторных ключей соединены с управляющим электродом высоковольтного тиристора через резисторы. Развязывающий трансформатор выполнен с одной первичной обмоткой, подключенной на выход высокочастотного автогенератора. Система импульсно-фазового управления содержит оптопередатчики по числу блоков управления.

Устройство управления формирует сигнал требуемой формы с форсировкой и длительностью посредством введения структурной избыточности - двух параллельных каналов с пассивным сумматором на резисторах и одновибратора.

Недостатками устройства являются:

1. Последовательное согласное соединение двух выпрямителей в блоке управления исключает независимое регулирование амплитуды напряжения форсировки и удерживающего напряжения.

2. Невозможность регулирования длительности форсировки. В устройстве эта длительность постоянная и определяется временем перезаряда конденсатора одновибратора. Однако различные типы высоковольтных тиристоров характеризуются своими длительностями форсировки, которые в устройстве можно установить только путем изменения конструкции блока управления - замены конденсаторов с требуемыми номиналами.

3. Отсутствие защиты от электромагнитных помех в цепях управления транзисторных ключей каналов. Из-за гальванической связи блока управления и силовой цепи высоковольтного тиристора при переключениях последнего электромагнитные помехи большой амплитуды (несколько сотен вольт) и широкого спектра (до нескольких сотен килогерц) наводятся на элементах блока управления (логический элемент, одновибратор, резисторы). Это приводит к ложным отпираниям закрытого тиристора и снижению надежности работы преобразователей.

Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости и расширение функциональных возможностей устройства управления высоковольтным тиристором.

Устройство управления высоковольтным тиристором, также как в прототипе, содержит автогенератор, блок управления, содержащий первый и второй резисторы, первый и второй выпрямители, оптоприемник, развязывающий трансформатор, подключенный первичной обмоткой к автогенератору, а вторичными обмотками к входам выпрямителей, первый и второй транзисторные ключи, выходы которых соответственно соединены с первым и вторым резисторами, выходы которых соединены в общую точку, которая подключена к управляющему электроду высоковольтного тиристора, а также систему импульсно-фазового управления, содержащую два оптопередатчика.

Согласно изобретению к выходам первого и второго выпрямителей подключены первый и второй регулируемые стабилизаторы напряжения соответственно. Положительные выводы первого и второго регулируемых стабилизаторов напряжения соединены с положительными выводами первого и второго конденсаторов и входами первого и второго транзисторных ключей через третий и четвертый резисторы соответственно. Отрицательные выводы первого и второго регулируемых стабилизаторов напряжения соединены с отрицательными выводами первого, второго конденсаторов, катодом высоковольтного тиристора и выходом третьего транзисторного ключа, вход которого соединен с управляющим электродом высоковольтного тиристора. Выход первого оптоприемника соединен с управляющим входом первого транзисторного ключа. Выход второго оптоприемника соединен с управляющими входами второго и третьего транзисторных ключей.

В заявляемом устройстве введение первого и второго регулируемых стабилизаторов напряжения, третьего и четвертого резисторов, первого и второго конденсаторов позволяет не только формировать требуемую форму напряжения и тока с форсировкой на управляющем электроде высоковольтного тиристора, но и осуществлять независимую установку уровней напряжения и тока форсировки и удержания, а также осуществлять питание оптоприемников. Введение дополнительного оптоприемника позволяет регулировать длительность форсировки в системе импульсно-фазового управления, что расширяет функциональные возможности устройства.

Введение третьего транзисторного ключа, управляемого вторым оптоприемником, позволяет шунтировать переход «управляющий электрод - катод» высоковольтного тиристора малым сопротивлением открытого третьего транзисторного ключа. Это обеспечивает надежное запирание высоковольтного тиристора, несмотря на воздействие электромагнитных помех различной природы, тем самым повышая помехоустойчивость по сравнению с прототипом.

Положительные технические результаты получены без усложнения конструкции устройства: введенные два регулируемых стабилизатора напряжения, два конденсатора, оптоприемник и транзисторный ключ по массогабаритным и стоимостным показателям сравнимы с логическим элементом и одновибратором, содержащим четыре логических элемента, резистор и конденсатор, в прототипе.

На фиг. 1 представлена функциональная схема заявляемого устройства управления высоковольтным тиристором.

Устройство управления высоковольтным тиристором 1 содержит систему импульсно-фазового управления 2 (СИФУ) с оптопередатчиками 3 и 4, блок управления 5 (БУ), автогенератор 6 (АГ).

Блок управления 5 (БУ) содержит развязывающий трансформатор 7 (РТ), первичная обмотка которого соединена с выходом автогенератора 6 (АГ). К вторичным обмоткам развязывающего трансформатора 7 (РТ) подключены первый 8 и второй 9 выпрямители. Выход первого выпрямителя 8 соединен со входом первого регулируемого стабилизатора напряжения 10 (СТ1). Выход второго выпрямителя 9 соединен со входом второго регулируемого стабилизатора напряжения 11 (СТ2). Положительный вывод первого регулируемого стабилизатора напряжения 10 (СТ1) соединен с положительным выводом первого конденсатора 12 и входом первого транзисторного ключа 13 через первый резистор 14. Положительный вывод второго регулируемого стабилизатора напряжения 11 (СТ2) соединен с положительным выводом второго конденсатора 15 и входом второго транзисторного ключа 16 через второй резистор 17.

К выходу первого транзисторного ключа 13 и выходу второго транзисторного ключа 16 подключены вход третьего 18 и вход четвертого 19 резисторов соответственно, выходы которых соединены в общую точку, которая подключена к управляющему электроду высоковольтного тиристора 1 и к входу третьего транзисторного ключа 20, выход которого подключен к катоду высоковольтного тиристора 1 и к отрицательным выводам первого 12 и второго 15 конденсаторов.

Выход первого оптоприемника 21 соединен со входом управления первого транзисторного ключа 13, а выход второго оптоприемника 22 соединен со входами управления второго 16 и третьего 20 транзисторных ключей.

Устройство работает следующим образом.

Инициатором режимов отпирания и запирания высоковольтного тиристора 1 является система импульсно-фазового управления 2 (СИФУ), которая через оптопередатчики 3 и 4 передает сигналы управления на первый 21 и второй 22 оптоприемники. При этом питание всех узлов блока управления 5 (БУ) осуществляется от автогенератора 6 (АГ), подающего переменное напряжение на первичную обмотку развязывающего трансформатора 7 (РТ). Переменные напряжения с вторичных обмоток этого трансформатора выпрямляются первым 8 и вторым 9 выпрямителями. На выходах первого 10 (СТ1) и второго 11 (СТ2) регулируемых стабилизаторов напряжения устанавливаются значения постоянных напряжений для формирования напряжений форсировки и удержания соответственно. Первый 12 и второй 15 конденсаторы через первый 14 и второй 17 резисторы заряжаются до выходных напряжений первого 10 (СТ1) и второго 11 (СТ2) регулируемых стабилизаторов напряжения.

В исходном состоянии на выходах первого 21 и второго 22 оптоприемников система импульсно-фазового управления 2 (СИФУ) через оптопередатчики 3 и 4 устанавливает высокие уровни напряжения - логические единицы. В этом случае первый 13 и второй 16 транзисторные ключи закрыты, а третий транзисторный ключ 20 - открыт (как показано на фиг. 1). Шунтирование перехода «управляющий электрод - катод» высоковольтного тиристора 1 малым сопротивлением открытого третьего транзисторного ключа 20 обеспечивает надежное запирание высоковольтного тиристора 1, несмотря на воздействие электромагнитных помех различной природы.

В режиме отпирания высоковольтного тиристора 1 система импульсно-фазового управления 2 (СИФУ) через оптопередатчики 3 и 4 устанавливает на выходах первого 21 и второго 22 оптоприемников логические нули, тем самым открывая первый 13 и второй 16 транзисторные ключи и закрывая третий транзисторный ключ 20. Напряжения с первого конденсатора 12 и второго конденсатора 15 суммируются пассивным сумматором, образованным третьим 18 и четвертым 19 резисторами. Далее это напряжение поступает на управляющий электрод высоковольтного тиристора 1 и отпирает его.

На этапе форсировки, длительность которого задается шириной импульса с первого оптоприемника 21, уровень напряжения равен сумме напряжений на первом 12 и втором 15 конденсаторах, которые в свою очередь определяются выходными напряжениями первого 10 (СТ1) и второго 11 (СТ2) регулируемых стабилизаторов напряжения.

Длительность этапа удержания зависит от ширины импульса управления с выхода второго оптоприемника 22. При этом на выходе первого оптоприемника 21 устанавливается логическая единица, закрывая тем самым первый транзисторный ключ 13, а на выходе второго оптоприемника 22 поддерживается логический нуль. Второй транзисторный ключ 16 остается открытым и уровень напряжения удержания определяется только напряжением на втором 15 конденсаторе.

Использование двух независимых первого 10 (СТ1) и второго 11 (СТ2) регулируемых стабилизаторов напряжения позволяет устанавливать любые уровни напряжений форсировки и удержания путем регулировки выходного напряжения каждого регулируемого стабилизатора напряжения в отличие от прототипа, где этого можно достичь лишь перемоткой вторичных обмоток развязывающего трансформатора. Кроме этого, могут быть независимо в широком диапазоне заданы токи форсировки и удержания по формулам:

I_ф = I_c1 + I_c2,

I_c1 = U_c1 / R₃, I _с2 = U_c2 / R₄,

I_y = I_c2 = U_c2 / R₄,

где I_ф - ток форсировки;

I_y - ток удержания;

I_c1, U_c1 - ток разряда и напряжение первого конденсатора 12 соответственно;

I_c2, U_c2 - ток разряда и напряжение второго конденсатора 15;

R₃, R₄ - сопротивления третьего 18 и четвертого 19 резисторов соответственно.

Заряженные первый 12 и второй 15 конденсаторы как источники питания обеспечивают токи разряда, значительно превышающие выходные токи первого 10 (СТ1) и второго 11 (СТ2) регулируемых стабилизаторов напряжения. Данное обстоятельство позволяет в устройстве использовать маломощные интегральные регулируемые стабилизаторы напряжения, которые также обеспечивают питание оптоприемников 21 и 22 блока управления 5 (БУ).

В режиме запирания высоковольтного тиристора 1 система импульсно-фазового управления 2 (СИФУ) через оптопередатчики 3 и 4 устанавливает на выходах первого 21 и второго 22 оптоприемников логические единицы, то есть аналогично вышеупомянутому исходному состоянию. Первый 13 и второй 16 транзисторные ключи закрываются, вследствие чего на управляющий электрод высоковольтного тиристора 1 не поступает импульс управления с пассивного резистивного сумматора. Учитывая также, что открывается третий транзисторный ключ 20 и падение напряжения на нем практически равно нулю, то обеспечивается запирание высоковольтного тиристора 1.

Опытный экземпляр устройства управления высоковольтным тиристором был выполнен на аналоговых микросхемах.

Регулируемые стабилизаторы напряжения 10 (СТ1) и 11 (СТ2) выполнены на микросхеме LM317, представляющей собой линейный интегральный стабилизатор напряжения с диапазоном изменения выходного напряжения от 1,2 В до 37 В при токе нагрузки до 1 А.

Первый 13 и второй 16 транзисторные ключи выполнены на p-канальном МОП транзисторе типа IRF7416, третий транзисторный ключ 20 - на n-канальном МОП транзисторе типа IRF7493.

В качестве оптопередатчиков 3 и 4 в программируемой системе импульсно-фазового управления 2 (СИФУ) использовали микросхемы 4N35 c транзисторным фотоприемником 21 и 22 в каждой, с напряжением изоляции 5 кВ и временем переключения 10 мкс.

Первый 8 и второй 9 выпрямители выполнены на диодных мостах DB207S с прямым током 2 А и обратным напряжением 1 кВ.

Развязывающий трансформатор 7 (РТ) выполнен на ферритовом тороидальном сердечнике B64290L0048X830 габаритов R 34.0 × 20.5 × 12.5 (мм) с числом витков первичной и вторичных обмоток 40 каждая, провод ПЭТВ-2-0,7мм. Рабочая частота - 10 кГц.

Устройство испытывали в двенадцатипульсном мостовом управляемом тиристорном выпрямителе на основе высоковольтных тиристоров SKT 1200, обеспечивавшем питание обмоток электрофизической установки Токамак напряжением до 1,5 кВ. При работе тиристорного выпрямителя на элементах блока управления 5 (БУ), в том числе на выходе пассивного резистивного сумматора, наблюдались помехи с амплитудой в несколько сотен вольт в диапазоне частот до 1 МГц. Эти помехи при отсутствии третьего транзисторного ключа 20 вызывали спорадические сбои в работе тиристорного выпрямителя в виде отпирания высоковольтного тиристора 1, который должен быть в запертом состоянии. При наличии третьего транзисторного ключа 20 и его открытии напряжение помех снижалось до нескольких сотен мВ, вследствие чего тиристор 1 функционировал в безаварийном, штатном режиме.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к силовым высоковольтным преобразователям, и может быть использовано в устройствах управления тиристорами регулируемых выпрямителей и электродвигателей. Устройство управления высоковольтным тиристором так же, как в прототипе, содержит автогенератор, блок управления, содержащий первый и второй резисторы, первый и второй выпрямители, оптоприемник, развязывающий трансформатор, подключенный первичной обмоткой к автогенератору, а вторичными обмотками к входам выпрямителей, первый и второй транзисторные ключи, выходы которых соответственно соединены с первым и вторым резисторами, выходы которых соединены в общую точку, которая подключена к управляющему электроду высоковольтного тиристора, а также систему импульсно-фазового управления, содержащую два оптопередатчика. К выходам первого и второго выпрямителей подключены первый и второй регулируемые стабилизаторы напряжения соответственно. Положительные выводы первого и второго регулируемых стабилизаторов напряжения соединены с положительными выводами первого и второго конденсаторов и входами первого и второго транзисторных ключей через третий и четвертый резисторы соответственно. Отрицательные выводы первого и второго регулируемых стабилизаторов напряжения соединены с отрицательными выводами первого, второго конденсаторов, катодом высоковольтного тиристора и выходом третьего транзисторного ключа, вход которого соединен с управляющим электродом высоковольтного тиристора. Выход первого оптоприемника соединен с управляющим входом первого транзисторного ключа. Выход второго оптоприемника соединен с управляющими входами второго и третьего транзисторных ключей. Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости и расширение функциональных возможностей устройства управления высоковольтным тиристором. 1 ил.

Устройство управления высоковольтным тиристором, содержащее автогенератор, блок управления, содержащий первый и второй резисторы, первый и второй выпрямители, оптоприемник, развязывающий трансформатор, подключенный первичной обмоткой к автогенератору, а вторичными обмотками к входам выпрямителей, первый и второй транзисторные ключи, выходы которых соответственно соединены с первым и вторым резисторами, выходы которых соединены в общую точку, которая подключена к управляющему электроду высоковольтного тиристора, а также систему импульсно-фазового управления, содержащую два оптопередатчика, отличающееся тем, что к выходам первого и второго выпрямителей подключены первый и второй регулируемые стабилизаторы напряжения соответственно, положительные выводы первого и второго регулируемых стабилизаторов напряжения соединены с положительными выводами первого и второго конденсаторов и входами первого и второго транзисторных ключей через третий и четвертый резисторы соответственно, отрицательные выводы первого и второго регулируемых стабилизаторов напряжения соединены с отрицательными выводами первого, второго конденсаторов, катодом высоковольтного тиристора и выходом третьего транзисторного ключа, вход которого соединен с управляющим электродом высоковольтного тиристора, выход первого оптоприемника соединен с управляющим входом первого транзисторного ключа, выход второго оптоприемника соединен с управляющими входами второго и третьего транзисторных ключей.