Способ управления трехфазным тиристорным преобразователем Советский патент 1993 года по МПК H02M7/00 

Изобретение относится к области эле,к- тротехники и может быть использовано для питания импульсным током при размерной электрохимической обработке.

Целью изобретения является повышение качества регулирования импульеного тока за счет увеличения выходной мощности.

На фиг. 1 представлено устройство, реализующее способ управления трехфазным тиристорным преобразователем; на фиг. 2 - блок запрета, изображенный на фиг. 1 условно; на фиг. 3 - возможное подключение выходных элементов блока запрета; на фиг. 4-20 представлены диаграммы напряжений и токов, поясняющие принцип работы устройства.

Предлагаемое устройство для управления трехфазным тиристорным преобразователем (см. фиг. 1) содержит блок тиристоров

1...6, управляющие электроды которых подключены к блокам управления 7...12. На чертеже тиристоры 1...6 показаны включенными по трехфазной мостовой схеме с питанием от вторичной обмотки силового трансформатора 13 и с нагрузкой 14 в цепи выпрямленного тока.

Новым в описываемом устройстве является наличие согласующего трансформатора 15, выключателя 16 и двух одинаковых блоков запрета 17 и 18.

Каждый блок запрета (см. фиг. 2) имеет формирователь 19 тактовых импульсов, счетчик 20 импульсов, подключенный счетным входом с к выходу формирователя 19, дешифратор 21, соединенный с выходом счетчика 20, три транзисторные ключа 22...24 управления, связанные с выходом дешифратора 21, и схему совпадения 25, соединенную выходом с установочным вхоел XI

о

дом R счетчика 20, а одними.из входов - с выходом дешифратора 21, при этом другие входы схемы совпадения 25 связаны, например, через схему И-НЕ 26 и резистор 27 с выключателем 16 (см. фиг. 1).

Выключатель 16 на чертеже изображен упрощенно в виде контакта 28 и последовательно включенного с ним резистора 29.

На фиг, 1. 2, 3 входы и выходы блоков запрета пронумерованы последовательными числами с 1 по 7, заключенными в скобки.

Формирователь 19 тактовых импульсов (см. фиг. 2) блоков запрета 17 и 18 (см. фиг. 1} подключены к питающей сети своими входами (1) и (2) в противофазе друг относительно друга через согласующий трансформатор 15.

Ключи 22...24 управления блока запрета

17 своими выходами.(4)...(6) соединены с блоками управления 7,..9, а блока запрета

18 - с блоками управления 10... 12,

Третий ключ управления 24 и схема совпадения 25 соединены с выходом дешифратора 21 через времязадающие цепочки, содержащие конденсаторы 30 и 31, резисторы 32 и 33, а также шунтирующие диоды 34 и 35. При этом времязадающая цепочка ключа управления 24 имеет схему совпадения 36.

Ключи управления 22...24 в базовых цепях имеют резисторы 37..,39 положительного смещения, токоограничивающие резисторы 40...42 и резисторы 43...45 отрицательного смещения.

Резисторы 46...48 положительного смещения имеются также в цепях установочного входа R счетчика 20 и на входе схем совпадения 25 и 36.

Формирователь 19 тактовых импульсов содержит преобразователь синусоидального напряжения в трапециедальные импульсы, выполненный на стабилитроне 49, подключенном к согласующему трансформатору 15 через диод 50 и резистор 51. К указанному преобразователю подключена оптопэра 52 через резистор 53. Оптопара 52 своим выходом, подключенным к резистору смещения 54, соединена с одним из входов операционного усилителя 55 через резистор 56. Инвертирующий вход усилителя 55 подключен к делителю напряжения на резисторах 57...59 через резистор 60. К выходу усилителя 55 через резистор 61 и шунтирующий диод 62 последовательно включены две схемы И-НЕ 63 и 64.

Предложенное устройство имеет фазо- сдвигающий блок 65, через который к согласу- ющему трансформатору 15 подключены формирователи 19 тактовых импульсов блоков запрета 17 и 18, Фазосдвигзющий блок 65 имеет переменный 66 и постоянный 67 резисторы и конденсатор 68.

В блоке запрета (фиг. 2) транзисторные

ключи 22...24 своими базами подключены к соседним выходам 1...3 дешифратора 21. Аналогичное подключение ключей 22...24 к дешифратору 21, показанное на фиг. 3, выполнено через один выход дешифратора:

1-3-5.

В исходном положении, когда контакт 28 выключателя 16 разомкнут, положительный потенциал с резистора 29 поступает на входы (3) блоков запрета 17 и 18. Поэтому на

5 входе схемы И-НЕ 26 будет логическая 1, а на выходе О, который обеспечивает отсутствие сигнала на выходе схемы совпадения 26 и на установочном входе R счетчика 20. Счетчик 20 в этом состоянии не

0 работает, хотя с формирователя 19 на его счетный вход с поступают с частотой питающей сети тактовые импульсы, изображенные на фиг. 4 и 8 для соответствующих блоков запрета 17 и 18. При этом выходы

5 дешифратора 21 заперты и положительным смещением с резисторов 37.,.39 открыты ключи управления 22,..24 которые шунтируют формирователи запускающих тири- сторы 1,,,6 импульсов в блоках управления

0 7..,12. Тиристорный преобразователь не работает.

Для пуска тиристорного преобразователя замыкают контакт 28 выключателя 16. На входе (3) обоих блоков запрета 17 и 18исче5 зает положительный потенциал. Поэтому на выходе схемы И-НЕ 26 этих блоков появляется логическая 1, которая поступает на одни из входов схемы совпадения 25, имеющей к этому моменту такую же 1 на других

0 входах с дешифратора 21. На выходе схемы И 25 возникает положительный потенциал, поступающий на вход Р счетчика 20 и запускающий последний в работу.

Счетчик 20 производит счет при исчез5 новении положительного потенциала на его входе с, т.е. по заднему фронту тактовых импульсов, вырабатываемых формирователем 19, и показанных на фиг. 4 и 8.

В блоках управления 7... 12 формируют

0 импульсы синхронизации 69,..71 (см, фиг. 5,,.7 и 9...11), синфазные с напряжением питающей сети, синусоиды которого обозначены теми же цифрами 69...71 на фиг. 12 и соответствуют межфазным напряжением

5 Uaa, Dec и Uca вторичной обмотки трансформатора 13. В тех же блоках 7...12 формируют импульсы управления, но до начала работы счетчиков 20 блоков запрета 17 и 18 формирователи этих импульсов шунтированы транзисторными ключами 22...24 блоков запрета 17 и 18, и импульсы управления на тиристоры 1...6 не поступают, а ток в нагрузке 14 отсутствует.

В связи с тем, что тактовые импульсы, изображенные на фиг. 4 и 8 и формируемые в блоках запрета 17 и 18, сдвинуты относительно друг друга на половину периода пи- тающего напряжения, то счет этих импульсов начинает счетчик 20 одного из блоков запрета 17 или 18. Пусть после поступления логической Г на входы R счетчиков 20 первый спад тактового импульса, т.е. переход из логической 1 в О, происходит на входе с счетчика 20 блока запрета 17. Тогда в этом блоке 17 на выходе 1 дешифратора 21 появляется логический О и в соответствии с диаграммой 72 фиг. 5 на базе транзисторного ключа 22 (см. фиг. 2) появляется отрицательное смещение. Транзистор 22 закрывается, формирователь блока управления 7 дешунтируется и последний подает импульсы 73 (см. фиг. 5, 12. 13 и 16) на управляющие электроды ти- ристоров 1 и 4 мостовой схемы выпрямления. Импульсы 73 сдвинуты по фазе относительно синхронизирующего напряжения 69 на угол, определяемый сигналом управления, поступающим в блок 7. На фиг. 12,13 и 16 сдвиг показан в виде временного интервала г и по углу соответствует.60 электрическим градусам, т.е. 1 /6 части периода питающего напряжения (1/6Т). Тиристоры 1 и 4.открываются и на нагрузке 14 появляется первый импульс напряжения, показанный на фиг. 19, в соответствии с синусоидой 69 (см. фиг. 5 и 12). Этот импульс формируется напряжением Оав И завершается после снижения указанного напряжения до 0.

. Через половину периода питающего напряжения относительно блока запрета Т7 начинает счет тактовых импульсов счетчик 20 блока запрета 18 (см, фиг. 1, 2, 4 (диагр. 8 и 9). В этом блоке на выходе Г дешифратора 21 появляется логический О и в соответствии с диаграммой 74 фиг. 9 на базе транзисторного ключа 22 появляется отрицательное смещение, закрывающее транзистор. Блок управления 10 подает импульсы 75 (см. фиг. 4 диаграммы (9, 12, 14 и 15) на управляющие электроды тиристоров 2 и 3. Импульсы 75 приходят на отрицательную полуволну синусоиды 69. сдвинуты по фазе относительно импульсов 73 (см. также фиг. 4 диаграммы (13 и 16) на половину периода, а относительно синхронизирующего напряжения 69 на тот же угол, что и импульсы 73, определяемый сигналом управления, поступающим в блок 10 и аналогичным таким сигналам для всех блоков 7...9. 11 и 12. Тиристоры 2 и 3 открываются и на нагрузке 14 имеем второй импульс напряжения, изображенный на фиг. 19 и соответствующий отрицательной полуволне синусоида 69 (см. фиг. 5 4 (диаграммы 9 и 12).

Спад второго тактового импульса блока запрета 17 (см. фиг. 20 4 (диаграммы 4...6), поступившей на вход с счетчика 20, вызывает восстановление на выходе Г дешиф0 ратора 21 логической Г и появление на выходе 2 логического О. Поэтому транзисторный ключ 22 открывается, запрещая появление импульсов управления на выходе блока, а ключ 23 закрывается отрицатель5 ным смещением и включает в работу блок управления 8. На фиг. 6 диаграмма 76 дает представление об изменении напряжения на базе транзисторного ключа 23 блока запрета 17, а импульсы управления 77. форми0 руемые в блоке 8, показаны смещенными относительно синхронизирующей синусоиды 70 на упомянутый угол, заданный сигналом управления и соответствующий временной задержке т. При этом из фиг.

5 5 и 6 видно, что импульс управления 77 следует . после импульса 73 через период плюс 1/3 периода питающего напряжения (Т1 1 1/ЗТ). Блок управления 8 подает импульсы 77 на тиристоры 3 и 6(см. фиг. 1.4 (диаграммы 12,

0 15 и 18). На нагрузке 14 (см. фиг. 4 (диаграммы 19) формируется третий силовой импульс из синусоиды 70 (напряжение Uec), сдвинутый относительно начала первого такого же импульса на 1 1 /ЗТ (периода). Окончание

5 рассматриваемого импульса совпадает с переходом синусоидального напряжения 70 через 0.

В блоке запрета 18 спад второго тактового импульса наступает через период пита0 ющего напряжения Т (см. фиг. 4, диаграмма 8). При этом, аналогично описанному, в блоке запрета 18 открывается транзистор 22 и закрывается в соответствии с диаграммой 78 фиг. 10 транзисторный ключ 23, вызывая

5 появление на выходе блока управления 11 импульсов 79. Импульсы 79 поступают на тиристоры 4 и 5 при обратном значении синусоидального напряжения 70 (см. фиг. 4 (диаграммы 12,16,17 и 19) и в соответствии

0 с последним формирует четвертый силовой импульс в нагрузке 14.

Спадами третьих тактовых импульсов (см. фиг. 4 диаграммы 4 и 8, 7 и 11) в соответствии с диаграммами 80 и 82 изменения

5 напряжения на базе транзисторных ключей 24 (см. фиг. 2) блоков запрета 17 и 18 (см. фиг. 1) формируются импульсы управления 81 и 83 в блоках управления 9 и 12. Сначала блок 9 выдает импульсы 81 на тиристоры 2 и 5. формируя пятый силовой импульс на

нагрузке 14 из синусоиды 71 (см. фиг. 12, 14, 17 и 19) а через половину периода блок 12 посылает на тиристоры 1 и 6 импульсы 83 (см. фиг, 13 и 18), образуя из обратной полуволны синусоиды 71 шестой силовой импульс (см, фиг. 4 диаграмма 19).

Для обеспечения полного угла регулирования импульсов напряжения блоками 9 и 12 введена дополнительная задержка т на закрытие транзисторного ключа 24 блоков запрета 17 и 18 (см. фиг. 4 диаграммы 7 и 11) относительно спада третьих тактовых импульсов (см. фиг. 4 диаграммы 4 и 8). Эта задержка обеспечена RC-цепочкой из резистора 32 и конденсатора 30 (см. фиг. 2) и схемой совпадения 36. При логической 1 на выходе 3 дешифратора 21 конденсатор 30 заряжен положительным напряжением, обеспечивающим логические 1 на входах и выходах схемы И 36 и открытое состояние транзисторного ключа 24. После спада третьего тактового импульса на выходе 3 дешифратора 21 появляется логический О, но ключ 24 остается в открытом состоянии на время разряда конденсатора 30 через резистор 32 на открытый выход 3 дешифратора 21. Только после разряда конденсатора 30 на входах и выходе схемы И 36 появляются логический О, транзистор 24 закрывается, разрешая появление управляющих импульсов 81 и 83 на выходах блоков 9и 12.

При спаде четвертого тактового импульса появляется логический О на выходе 4 дешифратора 21, а такой О появляется на одних сходах схемы совпадения 25 не сразу, а после разряда конденсатора 31 через резистор 33 на открытый выход 4. Здесь задержка нужна на сброс счетчика 20, который происходит после появления логических О на выходе схемы 25 и на установочном входе R счетчика 20, чтобы сформировать импульс сброса.

После сброса счетчика 20 четвертым тактовым импульсом новый счет начинается следующим спадом пятого импульса, а формирование управляющих и силовых импульсов напряжения повторяется в соответствии с описанным выше и с циклограммами, приведенными на фиг. 4...19. При этом на фиг. 13...18 показаны импульсы управления соответственно тиристорами с 1 по 6, а как представлено на фиг. 5 и 9 общий период повторения цикла блоками управления 7.„12 составляет четыре периода питающего напряжения (4Т).

Отключение управляющих сигналов импульсов производят размыканием контакта 28 выключателя 16.

Согласно приведенному описанию работы трехфазного тиристорного преобразователя новым в предложенном способе управления таким преобразователем является то, что импульсы управления формируют и подают дважды через половину периода в фазе и противофазе питающего напряжения на тиристоры, подключенные к одному межфазному или фазному напря0 жению, и после этого таким же образом осуществляют включение тиристоров, принадлежащих другим межфазным или фазным напряжениям. В описанном преобразователе период повторения парных силовых

5 импульсов составляет 1 1/3 периода (Т) питающего напряжения. При изображенной на фиг. 19 длительности каждого импульса в 1/3 периода (Т) такого напряжения, скважность силовых импульсов, представ0 ляющая отношение продолжительности периода повторения к длительности импульсов равна 2:

1 1/ЗТ:(1/ЗТх2) 2.

Но в предложенном преобразователе

5 каждый силовой импульс можно изменять от полного значения полуволны питающего напряжения практически до исчезновения этого напряжения. При этом без уменьшения амплитуды силового импульса регули0 рование производится по длительности от 1 /2 до 1 /4 периода (Т) питающего напряжения. Такое регулирование обеспечивает изменение скважности от 1,33 до 2,67.

В указанном диапазоне изменения

5 скважности поддерживается стабильное значение мощности импульсов тока.

Скважность импульсов может иметь и более высокие значения, когда транзисторные ключи 22...24 (см. фиг. 3) и цепь сброса

0 счетчика 20 подключены к дешифратору 21 через один выход, что можно выполнить с использованием переключателя. При использовании такого подключения появление последующих спаренных импульсов,

5 как показано на фиг. 20, происходит с дополнительной задержкой, равной периоду питающего напряжения (Т). Работа преобразователя с использованием подключения согласно фиг. 3 аналогична описанной, но

0 период повторения здесь больше на целый период питающего напряжения (Т) и равен: Т2 2 1/3 Т, Поэтому скважность силовых импульсов в этом случае можно регулировать без снижения амплитуды и мощности

5 этих импульсов в диапазоне от 2.33 до 4,67. Возможно и дальнейшее увеличение скважности импульсов путем повышения емкости счетчика 20 и дешифратора 21с соответствующим изменением подключения к последнему транзисторных ключей 22...24 и

цепи сброса счетчика 20 с пропуском 2-х, 3-х и т.д. цифровых выходов, когда период по- явления.спаренных силовых импульсов тока в нагрузке 14 составляет 3 1/3, 4 1/3 и т.д. периодов питающего напряжения. При этом увеличение продолжительности паузы между спаренными импульсами и периода повторения этих импульсов кратно периоду питающей сети.

Ниже приводим пример использования предложенного способа управления трехфазным тиристорным преобразователем при электрохимической обработке.

Производилась обработка деталей из титанового сплава в проточном электролите. Первоначально установили ступень напряжения импульсного тока в 50 В по амплитуде при холостом ходе преобразователя (фактически при минимальной нагрузке в начале электрохимической обработки). Длительность импульсов в начале обработки была 0,0075 сек,, а период повторения импульйов установлен в 0,026.7 сек.

Начальная скважность составила 1,78. При обработке по мере роста площади обработки и импульсного тока длительность импульсов уменьшали путем изменения сдвига по фазе импульсов управления за счет регулирования сигнала управления. Параметры обработки достигли следующих значений: амплитуда напряжения - 45 В, амплитуда тока - 5000 А, длительность импульсов тока - 0,0067 сек, скважность импульсов тока - 2. В дальнейшем длительность импульсов сократили до 0,005 сек. при увеличении амплитуды тока до 6000 А, а амплитуда напряжения снизилась до42 В за счет естественной нагрузочной характеристики силового трансформатора .преобразователя. При этом скважность импульсов тока составила 2.67. Во все время обработки анодное растворение вели спаренными импульсами тока, которые получали за счет того, что импульсы управления формировали и подавали дважды через половину периода на тиристоры, подключенные к одному межфазному напряжению: .сначала в фазе, а затем в противофазе упомянутого напряжения - после этого таким же образом включали тиристоры, подключенные на другие межфазные напряжения. Перед окончанием обработки включили чистовой режим за счет увеличения паузы тока на период питающего напряжения без изменения амплитудных значений тока и напряжения, а также длительности их импульсов (6000 А, 42 В и 0.005 сек.). При этом период повторения импульсов достиг 0,0467 сек, а скважность составила 4,67.

В результате электрохимической обработки деталей из титановых сплавов с использованием предложенного преобразователя, управляемого описанным способом повы- шена чистота обрабатываемой поверхности на один класс и достигнута более высокая точность профиля деталей.

Упомянутые достижения стали возможны благодаря повышению качества регулирования импульсного тока, обеспеченному предложенным способом управления трехфазным тиристорным преобразователем и устройством для его осуществления. Пред- ложен,ный способ управления позволяет

увеличить выходную мощность импульсов тока за счет формирования спаренных мм- пульсов, образуемых из последовательно следующих друг за другом фазы и противо- фазы питающего напряжения. Это исключает вынужденное намагничивание силового трансформатора и улучшает энергетические показатели управления. При этом предложенное техническое решение позволяет расширить диапазон регулирования как

длительности импульсов тока, так и скважности импульсов без снижения амплитудных значений тока и напряжения в импульсах, что дало положительные результаты в его использовании при электрохимической обработке за счет локализации процесса анодного растворения.

Формула изобретения

1. Способ управления трехфазным тиристорным преобразователем, заключающийся в том, что формирует импульсы синхронизации синфазно с напряжением питающей сети, формируют импульсы управления, сдвинутые по фазе относительно импульсов синхронизации на угол, определяемый сигналом управления, и подают их на тиристоры силового преобразователя, отличающийся тем, что, с

целью уменьшения установленной мощности элементов силового преобразователя, импульсы управления подают в фазе и в противофазе на тиристоры силового преобразователя, подключенные к одному из фазовых или мехфазных напряжений питающей сети, после чего таким же образом подают импульсы управления на тиристоры, связанные со следующим фазовым напряжением питающей сети.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что.подачу импульсов управления на тиристоры, связанные со следующим фазовым напряжением питающей сети, производят с задержкой по времени, кратной периоду питающей сети.

-t

ГГ Пя 8

77

II 85К I t фцг.13

Фиг.14 t Фиг.15

JL Фиг1б L фигЛ7

г 83

I . I I II ь

i. Фи&.ш

t Фиг.19

Способ управления трехфазным тири- сторным преобразователем заключается в том, что формируют импульсы синхронизации синфаэно с напряжением питающей сети, формируют импульсы управления, сдвинутые по фазе относительно импульсов синхронизации на угол, определяемый сигналом управления, и подают их на тиристо- ры силового преобразователя, импульсы управления подают в фазе и в противофазе на тиристоры силово го преобразователя, подключенные к одному из фазовых или межфазных напряжений питающей сети, после чего таким же образом подают импульсы управления на тиристоры. связанные со следующим фазовым напряжением питающей сети. 1 з.п. ф-лы, 20 ил.