Устройство для импульсно-фазового управления вентильным преобразователем Советский патент 1974 года по МПК H02P13/16 

1

Изобретение относится к области электротехники и касается управления вентильными (тиристорными) преобразователями. В настоящее время устройства импульсно-фазового управления (УИФУ) тиристорными преобразователями при большом разнообразии схемных решений строятся по «вертикальному или интегральному принципам.

Известные УИФУ содержат узел обратной связи по углу включения тиристоров, интегратор и формирователь импульсов.

Эти устройства имеют простую схемную реализацию, удобны в настройке, помехоустойчивы, но характеристика «вход-выход преобразователей с такими УИФУ носит косинусоидальный характер, сами УИФУ имеют ограничение по входу ,и инерционны.

.Предлагаемое устройсгво отличается от известных тем, что оно снабжено датчиком амплитуды сетевого напряжения, на вход которого подключена вторичная обмотка трансформатора сетевого напряжения, а выход через коллекторно-эмиттерную цепь транзисторного ключа синхронизации и конденсатор интегратора связан с цепью управления нульоргана, причем база транзисторного ключа синхронизации подсоединена через диод в непроводяш,ем направлении и резистор к положительной выходной клемме узла обратной

связи и через резистор к движку неременного резистора.

Это позволяет получить линейную зависимость «вход-выход тиристорного преобразователя, компенсировать влияние колебаний сети на выходное напряжение преобразователя и повысить быстродействие при высокой помехоустойчивости. На фиг. 1 показана схема предлагаемого

УИФУ; на фиг. 2 и 3 - эпюры напряжений.

Схема предлагаемого УИФУ состоит ,из узла 1 обратной связи по углу включения тиристора, интегратора 2, нуль-органа 3, формирователя импульсов 4, транзисторного ключа сиихронизации 5, датчика 6 амплитуды сетевого напряжения.

Узел 1 обратной связи по углу включения тиристоров состоит из резистора 7, подключенного к аноду разделительного диода 8, катод которого подключен к эмиттеру транзистора 9 интегратора 2. К этой же точке подключен резистор синхронизации 10, второй вывод которого подсоединен к катоду разделительного диода 11, причем к его аноду подключен

анод дополнительного тиристора 12, к катоду которого подключен переменный резистор 13, второй выход последнего подсоединен к отрицательному полюсу моста Гретца 14, положительный полюс моста связан с анодом тиристора 12. Катод этого тиристора связан с ба3 .

ЗОЙ транзистора 9. Кроме того, между управляющим электродом тиристора 12 и его катодом подключена цепочка из резистора 15 и обмотки трансформатора 16 из схемы нульоргана 3.

Интегратор 2 собран при транзисторе 9 с конденсатором 17 и источником 18 постоянного напряжения в коллекторной цепи.

Нуль-орган 3 - блокинг-генератор. Он собран на транзисторе 19 « трансформаторе 20, а подключен между выходом интегратора 2 и датчиком 6 амплитуды сетевого напряжения, причем положительным полюсом датчик 6 подключен к началу обмотки 21 трансформатора 20. Конец этой обмотки подключен к базе транзистора 19, эмиттер которого соединен с катодом шунтирующего диода 22. Коллектор транзистора 19 подключен к началу обмотки 23 трансформатора 20. К базе и эмиттеру этого транзистора подключен положительный полюс источника питания 24 через терморезистор 25 и днод 26 смещения соответственно. При этом между катодом диода 26 и отрицательным полюсом источника питания 24 включен резистор 27.

Конец обмотки 23 трансформатора 20 подключен к отрицательному полюсу источника питания 24. Для защиты транзистора 19 от перенапряжений параллельно обмотке 23 трансформатора 20 подключена цепочка из резистора 28 и диода 29, причем катод диода соединен с началом, а свободный вывод резистора ,28 с концом этой обмотки. С выходной обмотки 30 трансформатора 20 импульсы подаются на вход формирователи 4.

Ключсинхронизации 5собран на транзисторе 31 типа п-р-п, эмиттер которого подключен к общей точке 32, с которой также связаны .интегрирующий конденсатор 17, база транзистора 9, катод тиристора 12 и т. д., а коллектор - к отрицательному полюсу датчика 6. База этого транзистора через резистор 33 смещения подсоединена к движку переменного резистора 13 и через диод 34 и резистор 35 к катоду разделительного диода 11 узла 1. Диод 22 подключен параллельно конденсатору 17. Аиод этого диода подсоединен к точке 32, а катод - к положительному полюсу источника 18.

Датчик 6 амплитуды сетевого напряжения состоит из моста Гретца 36 и / С-фильтра низких частот (резистор 37 и конденсатор 38) с постоянной времени порядка 0,1 сек.

Формирователь импульсов 4 состоит из расщирителя импульсов и силового транзисторного ключа с первичной обмоткой импульсного трансформатора в коллекторной цепи (на фиг. 1 подробно не показан).

Для связи УИФУ с соответствующей фазой сетевого напряжения предусмотрен синхронизирующий трансформатор 39 (однофазный или трехфазный - в зависимости от типа преобразователя) с вторичными обмотками.

Устройство работает следующим образом.

В эмиттерную цепь транзистора 9 через резистор 7 и диод 8 подается управляющее напряжение t/y (через его переход эмиттер-

5 база течет ток /у --, где - сопротивUy

ление резистора 7). Кроме того, на эмиттер транзистора 9 через резистор 10 и разделительный диод 11 подается напряжение синхроQ низа.ции L/C (через переход эмиттер-база идет

ток синхронизации -- , где Re - сопроRCтивление резистора 10).

Таким образом на вход интегратора 2 поступает сумма двух токов. В момент, когда на выходе интегратора 2 (на конденсаторе 17) напряжение достигает величины t/o (выходного напряжения датчика 6 амплитуды сетевого напряжения), открывается транзистор 19 бло кинг-генератора за счет положительной обратной связи (трансформатор 20, обмотка 21), развивается блокинг-процесс от импульса напряжения, подаваемого с обмотки 21; конденсатор 17 .разряжается до О (диод 22 препятствует перезарядке конденсатора). Одновременно с обмотки трансформатора 20 через резистор 15 подается сигнал на включение дополнительного тиристора 12 (время включения- единицы микросекунд). В цепи пере - менного резистора 13 через включенный тиристор 12 протекает выпрямленный ток от моста 14 (темп нарастания этого тока зависит от постоянной времени этой цепи). До включения тиристора 12 транзистор 31 насыщен. После включения тиристора 12 по мере увеличения тока через переменный резистор 13 подается команда на закрытие транзистора 31 (ключ синхронизации). Процесс закрытия транзистора длится единицы микросекунд. Схема при правильном выборе элементов аппаратуры должна обеспечивать разряд конденсатора 17 до О к моменту закрытия транзистора 31 (размыкания ключа синхронизации 5). Одновре. менно с обмотки 30 трансформатора 20 поступает на формирователь 4 команда на формирование рабочего импульса, используемого для включения силовых тиристоров. После размыкания ключа синхронизации 5 положительная обратная связь размыкается, блокинг-процесс

0 срывается. Для надежного закрытия транзистора 19 после окончания блокинг-процесса предусмотрена цепочка смещения на диоде 26 с резистором 27 и терморезистором 25. Для защиты транзистора 19 от перенапряжений

5 обмотка 23 трансформатора 20 зашунтирована цепочкой из диода 29 с резистором 28. Такое состояние схемы длится до конца текущего полупериода сетевого напряжения. В это время на вход интегратора 2 поступает только

0 сигнал управления Uy, который интегрируется на конденсаторе 17.

По окончании каждого полупериода сетевого напряжения, когда напряжение и ток с однофазного моста проходят через О, тиристор

12 выключается, транзисторный ключ синхроНизации снова включается, подсоединяя отрицательный полюс датчика 6 амплитуды сетевого напряжения к точке 32 схемы.

Если напряжение на конденсаторе 17 до конца текущего полупериода, уже после выдачи управляющего импульса, превысит f/o, то сразу же в начале следующего полупериода вырабатывается управляющий -импульс при а, близком к О (см. фиг. 3, б - участок f-fe). В противном случае, с началом нового полупериода на вход интегратора подается снова сумма двух токов Происходит интегрирование их до Uo и выдача управляющего импульса и т. д.

Итак, происходит интегрирование суммы двух напряжений: напряжения сияхронизадии, представляющего собой выпрямленное однофазное напряжение сети с начала полупериода сетевого напряжения до момента выдачи управляющего импульса (см. фиг. 2, а и б - площадки 5о1, 5о2, 5оз и т. д.), и управляющего сигнала U за время между последним управляющим импульсом и тем, который вырабатывается в текущем полупериоде (см. фиг. 2 я и б - площадки Szj, S22, 52.-; и т. д.). При этом вольт-секундный интеграл управляющего сигнала за указанное время должен быть равным замещенному и не поступившему на интегратор вольт-секундному интегралу напряжения синхронизации с момента выдачи управляющего импульса (включения тиристора 12) до конца данного сетевого полупериода (см. фиг. 2, а и б - площадки 5i,, 5{2, Sia,...), причем устройство должно обеспечивать , и т, д. Таким образом, фаза управляющих импульсов определяется вольт-секундным интегралом управляющего напряжения, поступающего на вход интегратора 2 за время между двумя управляющими импульсами (временем разряда конденсатора 17 пренебрегают) .

При напряжении управляющего сигнала f. (см. фиг. 2, а-участок f-k напряжение интегрируюн1его конденсатора достигает

напряжения f/n в момент времени (для

однофазного варианта при активной нагрузке), т. е. отрабатывается угол , что соответствует нулевому значению напряжения на выходе однофазного преобразователя. При подаче большого сигнала t/v на вход УИФУ (см. фиг. 3,6 - участок f--k , т. е. обеспечивается быстродействие значительно выще, чем у известного УИФУ.

Для подтверждения нового положительного эффекта, получаемого при применении предлагаемого УИФУ, а именно линейности характеристики «вход-выход преобразователя, а также ликвидации влияния колебаний сети на выходное напряжение преобразователя приводятся некоторые математические соотнощения.

/.(((00+ г

.1 °У

„(l-COSa,) + (a,-ba,-«), (1)

KCКу

где аь СХ2 - фазовые углы последнего и предпоследнего управляющих импульсов;

и о - напряжение на выходе датчика амплитуды сетевого напряжения;

Um-амплитуда сетевого напряжения;

k - коэффициент трансформации трансформаторного узла синхронизации;

RC - входное сопротивление интегратора по цепи синхронизации; R-y - входное сопротивление интегратора по цепи управляющего сигнала;

kUm5ir({it Uc - напряжение синхронизации.

При некотором фиксированном значении t/y (1) имеет вид

t/, -f f/(l-COSa) + -. (2)

KCКу

При , когда (при активной нагрузке для однофазной двухполуперйодной схемы),

и, ,(3)

..,

и после подстановки в (2)

Ryk-Um

(1+С08а)Уу;

(4) (5) (6)

RC

Lfv К

cosa 1;

Кулк- -тл

aTccos( ll -l

)

Для однофазного двухполупериодного моста с учетом (4)

t/,

(l+COSa),f/cp(7)

где Lcp - среднее значение напряжения

на выходе преобразователя.

Напряжение f/o получают в результате выпрямления и фильтрации сетевого напряжения, следовательно, при низкочастотных колебаниях (единицы герц и ниже) сетевого напряжения соответственно изменяется и L/C (все это осуществляется датчиком 6 амплитуды сетевого напряжения).

Следовательно, обеспечивается автоматическая перестройка УИФУ на текущее значение сетевого напряжения (компенсируется влияние низкочастотных колебаний сетевого напряжения на выходное напряжение преобразователя). Для доказательства этого факта рассмотрим (7) при подстановке коэффициента нестабильности сетевого напряжения

и,

щ

АН

(8)

и„

где Umi -текущее значение амплитуды сетевого напряжения;

™н амплитуда пр.и номинальном значении Сетевого напряжения.

Подставим йн в (2) при фиксированном f/y (для однофазного силового моста) и любом текущем напряжении сети. Из (4), (7) и (8) получаем

лf т tг ч

с -

г/v

,

у

(10)

R.

уk

т. е. пропорционально Uy.

Особенностью предложенной УИФУ является отсутствие ограничения на входе. Это позволяет значительно повысить быстродействие устройства при форсировке входного сигнала. Без форсировки время отработки управляющего сигнала на выходе преобразователя (однофазного) не более одного полупериода сетевого напрялсения. Следовательно, по быстродействию предлагаемое УИФУ соответствует «вертикальным УИФУ при приемлемых параметрах фильтров. При больших форсировках (см. фйг. 3, б) напряжение на интегрирующем конденсаторе 17 может достичь и превысить Uo задолго до конца текущего полупериода сетевого напряжения, но благодаря разомкнутому в это время ключу синхронизации 5 запуск блокинг-генератора начинается только в начале следующего полупериода сетевого напряжения, когда ключ 5 замыкается. При этом на выходе формирователя отрабатывается импульс с углом а, близким к 0.

Таким образом, предлагаемое УИФУ обладает высоким быстродействием и помехоустойчивостью. В частности, преобразователи с таким УИФУ могут подключаться на выход высокочастотных дискретных регуляторов - при частоте более 50т гц (где т - фазность преобразователя) - без дополнительных фильтров, в то время как применение «вертикальных УИФУ требует установки фильтра для усреднения сигнала управления.

Линейность характеристики «вход-выход преобразователя с предлагаемым УИФУ упрощает построение систем регулирования; компенсация влияния низкочастотных колебаний сети на выходное напряжение преобразователя

с предлагаемым УИФУ также характеризует его с положительной стороны.

Предмет изобретения

Устройство для и.мпульсно-фазового управления Вентильным преобразователем, содержащее трансформатор сетевого напряжения, узел

обратной связи с переменным резистором на стороне постоянного тока, полоЖИтельная и отрицательная выходные клеммы которого подключены совместно с выходом источника управляющего напряжения на вход интеграгора, конденсатор которого связан через цепь управления нуль-органа с формирователем импульсов, отличающееся тем, что, с целью обеспечения линейной зависимости «вход-выход тиристорного преобразователя,

компенсации влияния колебаний сеги на выходное напряжение преобразователя, повышения быстродействия при высокой помехоустойчивости, оно снабжено датчиком амплитуды сетевого напряжения, на вход которого

подключена вторичная обмотка трансформатора сетевого напряжения, а выход через коллекторно-эмиттерную цепь транзисторного ключа синхронизации и конденсатор интегратора связан с цепью управления нуль-органа, причем база транзисторного ключа синхронизации подсоединена через диод в непроводящем направлении и резистор к положительной выходной клемме узла обратной связи и через резистор к движку упомянутого переменного резистора. 1Л i 39 I J

нагрузке )

(При ин&унтиёнш нагрузке 0,90)