Системы управления статическими преобразователями.

Требования к системам управления полупроводниковыми преобразователями. Эти системы должны соответствовать следующим требованиям.
1. Создавать синхронизированную с напряжением питающей сети m-фазную систему импульсов управления, каждый из которых способен включить силовой полупроводниковый прибор, применяемый в схеме преобразования.
2. Обеспечивать требуемый сдвиг по фазе импульсов управления относительно напряжения питания.
3. Для надежного открывания силовых полупроводниковых приборов, применяемых в преобразователях напряжения и имеющих различные значения сопротивления управляющего перехода, вырабатывать такие значения тока и напряжения управления, которые обеспечивают их гарантированное включение с учетом максимальной мощности, выделяемой на управляющем переходе. Так как сопротивление управляющего перехода силовых полупроводниковых приборов обычно составляет 20...30 Ом, а выпрямленный ток Id = 50...500 А, то напряжение на выходе устройства управления должно быть не более 12 В. Это свойство силовых полупроводниковых приборов дает возможность применять в системах управления маломощные полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, интегральные микросхемы и т.п.).
4. Обратное напряжение, подаваемое на управляющий электрод силовых полупроводниковых приборов, не должно превышать 1,0 В. Наличие обратного напряжения на управляющем электроде может привести к увеличению обратного тока и выходу его из строя.
5. Для четкого открытия силовых полупроводниковых приборов и уменьшения мощности потерь во всех режимах работы формируемые импульсы управления должны иметь крутой передний фронт.
6. Для предотвращения неравномерной нагрузки фаз симметрия управляющих импульсов, подаваемых на приборы различных фаз, должна поддерживаться с точностью 1...2 эл. град, во всем диапазоне фазового управления.
7. Для возможности регулирования выходного напряжения от нуля до максимального значения должен быть обеспечен полный диапазон изменения угла управления α.

Основные узлы систем управления.
Разработано большое количество систем управления силовыми полупроводниковыми приборами, число которых непрерывно возрастает. Это обусловлено широким развитием силовой полупроводниковой техники и постоянным расширением областей ее применения. Современные системы управления выполняются на основе полупроводниковых и магнитных элементов. С развитием микроэлектроники широкое применение в системах управления находят различные интегральные микросхемы и микропроцессорные устройства. В качестве магнитных элементов преимущественно используются импульсные трансформаторы. По способу обработки сигналов системы управления делятся на АНАЛОГОВЫЕ, в которых входной и выходной сигналы представляют собой непрерывные величины, и ЦИФРОВЫЕ, в которых входной и выходной сигналы являются дискретными величинами. Входные устройства предназначены для формирования напряжений управления, подаваемых на управляющие электроды и синхронизированных с переменным напряжением U2, и распределения их по каналам управления соответственно алгоритму подключения силовых полупроводниковых приборов. Так, при трехканальной системе управления выпрямителями на тиристоры должны поступать отпирающие импульсы, сдвинутые относительно друг друга на угол 120 эл. град. Для управления тиристорами шестифазного выпрямителя с нулевой точкой система управления должна формировать отпирающие импульсы, сдвинутые один относительного другого на угол 60 эл. град. Чаще всего в качестве входных устройств используются микропроцессорные устройства. Они включают в себя три основные, достаточно четко выраженные как функционально, так и конструктивно составные части (подсистемы): вычислительную, интерфейсную и электропитания (рис. 10.22).

Рис. 10.22. Функциональная схема микропроцессорной системы регулирования.

Аппаратура микропроцессорных систем осуществляет ввод информации от датчиков или командных устройств, логическую обработку этой информации в заданной последовательности и вывод полученных результатов для управления исполнительными устройствами. Задачи, решаемые каждым конкретным устройством, определяются алгоритмом его работы – упорядоченной последовательностью действий с конечным числом операций, приводящей к получению определенного результата. Последовательность выполнения операций (программа работы) закладывается в структуру электрической схемы и связи между программными и аппаратными средствами – электронными и электромеханическими элементами, входящими в состав системы. Практика создания микропроцессорных автоматических систем подтвердила целесообразность их выполнения в виде специализированных модулей, проблемно и функционально ориентированных в рамках определенных задач, алгоритмов и функций. Под МОДУЛЕМ в данном случае понимается конструктивно законченное устройство, позволяющее самостоятельно или в совокупности с другими модулями решать вычислительные или управляющие задачи заданного класса.
Характерной особенностью такого построения систем является то, что независимо от решаемых задач электрическая схема и набор функциональных модулей могут оставаться постоянными. Различие в системах сводится к реализации заданных алгоритмов управления.
Вычислительная часть системы обычно представлена модулем процессора – кристаллом большой или сверхбольшой интегральной микросхемы (СБИС), который содержит все логические элементы, необходимые для образования полноценной вычислительной системы.
По своим возможностям и быстродействию он примерно соответствует микроЭВМ, но не имеет (за ненадобностью) клавиатуры, дисковода, жесткого диска, видеосистемы и столь большого, как у его стационарного прототипа, объема оперативной памяти. Вычислительная часть предназначена для обработки числовой информации о состоянии объекта регулирования и определения необходимых управляющих воздействий на объект. Микропроцессор со вспомогательными устройствами называется микроконтроллером, который по своей природе является роботом. Он обладает массой возможностей, но не сделает ничего, если ему не сообщить, что делать. Указания для него находятся в памяти, например в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), которое хранит управляющую программу.

Внутренняя структура, или, как говорят, архитектура микроконтроллера, определяется его функциями. Обработку и пересылку данных микропроцессор, входящий в состав микроконтроллера, осуществляет с помощью наборов электрических импульсов, соответствующих его машинному языку.
Алфавит этого языка имеет всего два символа: 0 и 1. Выбор такого алфавита объясняется тем, что технически наиболее просто различить одно из двух возможных состояний элементарного электрического сигнала. Для осуществления операций с двоичными сигналами в составе микропроцессора имеется набор цифровых устройств – триггеров, регистров, счетчиков, сумматоров и различных комбинационных логических схем. К основным характеристикам микропроцессора относят:
• длину слова (число битов в одной кодовой комбинации)
• число и схему организации внутренних регистров.
• число портов для ввода и вывода информации.
• набор команд.
• быстродействие – число операций за одну секунду.

Чем выше численное значение указанных характеристик, тем большими возможностями обладает микропроцессор. Синхронизация работы микропроцессорной системы представляет собой точное временное согласование работы всех ее частей для выполнения заданных операций. Минимальный промежуток времени, фиксируемый в микроконтроллере периодом системных тактовых сигналов, соответствует времени выполнения одной микрооперации.
Этот показатель определяет максимальное быстродействие машины по отношению к элементарным преобразованиям информации. Системные тактовые сигналы поступают в том или ином виде на все устройства микропроцессорной системы. ИНТЕРФЕЙСНАЯ ЧАСТЬ системы (от англ. interface – стык, область контакта, взаимодействия) включает в себя средства ввода аналоговых сигналов, дискретных и частотных сигналов датчиков, а также средства вывода аналоговых, дискретных и управляющих сигналов. Кроме того, к интерфейсной части системы относятся датчики, обеспечивающие первичное преобразование аналоговых сигналов. Электрические схемы вычислительного устройства и статических преобразователей должны быть гальванически развязаны. ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА высоковольтных (объекта регулирования) и низковольтных (вычислительного устройства) цепей предназначена для исключения повреждения последних пиковыми выбросами напряжения. Такие выбросы всегда присутствуют в цепях, коммутирующих индуктивные нагрузки (катушки реле, контакторы и электропневматические вентили). Развязка является необходимым условием надежной работы вычислительного устройства микропроцессорной системы.

Под гальванической развязкой подразумевается передача сигнала от источника к приемнику при отсутствии их (источника и приемника) гальванической связи (т.е. непосредственной связи электрическими проводниками). Для передачи электрического сигнала между гальванически развязанными цепями чаще всего используется либо энергия магнитного поля (трансформаторная развязка, рис. 10.23), либо энергия светового излучения (оптронная развязка, рис. 10.24), чаще всего для уменьшения внешних воздействий в инфракрасном диапазоне. При работе с высоковольтными аналоговыми электрическими сигналами (например, напряжение и ток силовой схемы локомотива) их гальваническая развязка, а также, при необходимости, первичное масштабирование (пропорциональное понижение уровня) сигнала осуществляется в специальных устройствах, называемых датчиками. При измерении неэлектрических величин датчики осуществляют также преобразование физической природы сигнала.

Рис. 10.23. Схема трансформаторной гальванической развязки.

Рис. 10.24. Схема оптронной гальванической развязки.
DA – оптрон; Un – напряжение питания.

Например, перемещение реек топливных насосов высокого давления (ТНВД) преобразуется с определенным масштабным коэффициентом в электрическое напряжение на соответствующем входе интерфейсной части микропроцессорной системы. ПОДСИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ предназначена для формирования напряжений питания, необходимых для работы всех составных частей системы. Она обязательно присутствует в бортовых системах регулирования силовых установок транспортных средств, поскольку бортовые сети последних не приспособлены для питания подобных устройств, но может отсутствовать в стационарных системах, питаемых от внешних источников питания. Все сказанное справедливо для любой микропроцессорной системы автоматического регулирования и управления (локомотива, автомобиля, самолета, прокатного стана и т.д.).

Работа микропроцессорной системы.
Логика работы микропроцессорной системы, т.е. порядок ее взаимодействия с объектом, полностью определяется управляющей программой вычислительной части системы. УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММОЙ называется циклически замкнутая, непрерывно выполняемая вычислительной частью системы последовательность операций. Эта последовательность обеспечивает определенный порядок взаимодействия микропроцессорной системы регулирования с объектом регулирования. Сам порядок взаимодействия, реализуемый управляющей программой, называется алгоритмом работы системы.

ФАЗОСДВИГАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА используются в системах управления статическими преобразователями для регулирования фазы управляющих импульсов. Схемы получения управляющих импульсов и сдвига их по фазе в реальных фазосдвигающих устройствах бывают различными. В электромагнитных системах управления (например, на тепловозе 2ТЭ116 это блок БА-520) переменное напряжение сначала изменяется по форме, а затем сдвигается по фазе (рис. 10.25).
Блок БА-520 состоит из функциональных узлов:
- синхронизирующей цепи (СЦ),
- преобразователя напряжения (ПН),
- широтно-импульсного модулятора (ШИМ),
- сдвигающей цепочки (РЦ) и
- двух блокинг-генераторов (БГ).

Рис. 10.25. Функциональная схема блока БА-520.

СЦ – синхронизирующая цепь;
ПН – преобразователь напряжения;
ШИМ – широтно-импульсный модулятор;
РЦ – сдвигающая цепочка;
БГ1 и БГ2 – блокинг-генераторы.

Входное переменное напряжение подается на синхронизирующую цепь, осуществляющую переключение транзисторов ПН синхронно с частотой напряжения питания. Преобразователь напряжения питает ШИМ, который через сдвигающую цепочку (РЦ) запускает поочередно блокинг-генераторы. На выходах блокинг-генераторов формируются импульсы заданной длительности и напряжения. Фазосдвигающее устройство (рис. 10.26) содержит генератор опорного напряжения (ГОН), выходное напряжение которого равно напряжению U2 и нуль-орган (НО). На вход нуль-органа, кроме опорного напряжения Uoп, в данном случае имеющего пилообразную форму, подается внешнее напряжение Uу. В момент равенства напряжений Uoп и Uy нуль-орган переключается. При изменении значения Uy изменяется момент времени переключения нуль-органа, в результате изменяется фаза управляющих импульсов относительно начала положительной полуволны напряжения U2.
Нуль-орган фазосдвигающего устройства имеет выходной сигнал малой мощности и произвольной формы. Поэтому для получения управляющих импульсов требуемой формы и длительности, гальванической развязки системы управления с силовой частью статического преобразователя, усиления импульсов и размножения их при групповом соединении силовых полупроводниковых приборов предназначен один узел, именуемый обычно формирователем импульсов (ФИ).

Рис. 10.26. Функциональная схема (а) и диаграммы работы (б) фазосдвигающего устройства:
ГОН – генератор опорного напряжения; НО – нуль-орган; ФИ – формирователь импульсов

Рис. 10.27. Схема транзисторного формирователя импульсов.

На рис. 10.27 приведена схема транзисторного формирователя импульсов. Когда с выхода нуль-органа на базу транзистора VT1 поступает импульс напряжения управления Uно, транзистор VT1 открывается и через первичную обмотку трансформатора Т протекает кратковременный импульс тока. Со вторичной обмотки трансформатора усиленный короткий импульс тока Iу поступает на управляющий электрод тиристора VSL. При параллельном или последовательном соединении тиристоров трансформатор Т может иметь несколько выходных обмоток. Резистор R2 ограничивает коллекторный ток во время насыщения трансформатора. Диод VD1 защищает транзистор от перенапряжения при его выключении. Диод VD2 не пропускает отрицательные импульсы вторичной обмотки трансформатора Т на управляющий электрод тиристора. Для управления мощными тиристорами широкое применение нашли формирователи импульсов на маломощных тиристорах с малыми токами управления (рис. 10.28). В исходном состоянии конденсатор С заряжается от источника задающего напряжения Uп через VD1. При подаче импульса напряжения Uвх, поступающего с выхода нуль-органа, открывается вспомогательный тиристор VS1 и конденсатор С разряжается по цепи: первичная обмотка трансформатора T – R2 – VS1. Параметры этой цепи выбирают так, чтобы в первичной обмотке протекал короткий импульс тока, а на вторичной – индуцировался узкий импульс тока Iу с крутым передним фронтом для гарантированного открытия силового тиристора VS2.

Рис. 10.28. Схема тиристорного формирователя импульсов.

Использование трансформаторов для гальванической развязки системы управления и силовой части преобразователя имеет некоторые недостатки. В процессе коммутации тиристоров импульсами тока большой амплитуды в разрядных цепях сопровождается высоким уровнем помех. Из-за наличия паразитных (электромагнитных и емкостных) связей между первичной и вторичной обмотками эти помехи распространяются по соединительным проводам. Более перспективным средством обеспечения гальванической развязки в цепях преобразователя и повышения помехозащищенности является применение схем формирователей импульсов с оптоэлектронными приборами. В качестве управляемого элемента в таких формирователях импульсов используются диодные, транзисторные и тиристорные оптоэлектронные приборы. На рис. 10.29 представлена одна из типовых оптоэлектронных схем, используемых в качестве конечного узла формирователя импульсов для коммутации силового тиристора VS1. Схема состоит из входного формирователя сигнала управления, выполненного на инверторе DD1, оптрона гальванической развязки DA1 и силового транзистора VT1. Диоды VD1 и VD2 служат для защиты силового транзистора VT1 и выходного транзистора оптрона DA1 от превышения напряжения и напряжения обратной полярности.

Работа схемы сводится к следующему. При низком уровне напряжения Uно на входе инвертора DD1 на его выходе устанавливается высокий уровень напряжения, в результате чего светодиод и фототранзистор оптрона DA1 находятся в закрытом состоянии. Делитель напряжения R5–R4 подает на затвор силового транзистора VT1 напряжение положительной полярности, которое удерживает его в открытом состоянии. В этих условиях импульсы управления силовым тиристором VS1 не формируются. Если на входе инвертора DD1 устанавливается высокий уровень напряжения, то на его выходе будет низкий уровень. При этом светодиод оптрона DA1 открывается положительным напряжением Uп1, и его излучение в свою очередь открывает фототранзистор оптрона DA1. В результате шунтируется переход затвор – сток силового транзистора VT1 и последний закрывается, подавая импульс управления от Uп2 через резистор R6 на управляющий электрод силового тиристора VS1.

Рис. 10 29. Схема формирователя импульсов системы УСТА
(унифицированная система тепловозной автоматики)

Описанная схема формирователя импульсов обеспечивает полную гальваническую развязку цепей управления и нагрузки преобразователя, а также помехозащищенность схемы в закрытом состоянии. Это обусловлено тем, что светодиод оптрона имеет собственный порог срабатывания.

Коммутация тиристоров преобразователей напряжения.
Для принудительного запирания тиристора, включенного в цепь постоянного тока, приходится применять специальные меры. Выключить тиристор можно, уменьшая прямой ток ниже значения тока удержания, но в этом случае время запирания тиристора будет относительно большим. Чтобы закрыть тиристор в течение минимального времени, к нему нужно приложить обратное напряжение. Тиристор запирается с помощью искусственной (принудительной) коммутации, которая осуществляется кратковременным пропусканием через него тока в обратном направлении. В результате чего его анодный ток уменьшается до значения тока выключения. Обратный ток и напряжение могут быть получены от специального источника постоянного тока, но в большинстве случаев этим источником является предварительно заряженный конденсатор, называемый КОММУТИРУЮЩИМ. Если для выключения силовых тиристоров используются специальные коммутирующие тиристоры, то коммутация называется ИСКУССТВЕННОЙ. В этом случае для выключения силовых тиристоров на коммутирующие тиристоры подают управляющие импульсы. В тех случаях, когда снижение тока силового тиристора происходит в результате колебательного процесса в контуре коммутации без применения коммутирующих тиристоров, говорят о ЕСТЕСТВЕННОЙ коммутации.

По скорости замедления тока разряда конденсатора различают системы с мгновенной и замедленной коммутацией. В системах с замедленной коммутацией производные тока ограничиваются индуктивностью коммутирующих реакторов.

При искусственной коммутации к тиристорам предъявляют ряд требований:
- иметь минимальные значения времени включения (менее 10 мкс) и выключения (менее 25 мкс);
- иметь по возможности близкие электрические параметры;
- выдерживать значительные скорости нарастания тока (более ЮОА/мкс) и напряжения (более 100 В/мкс).
Для этой цели лучше всего подходят тиристоры ТЧ (высокочастотные) и ТБ (быстродействующие). Коммутирующие конденсаторы также должны обеспечивать при разряде высокую скорость нарастания тока, большую амплитуду и надежно работать при высокой температуре.
Применяя искусственную коммутацию, можно создавать бесконтактные выключатели и переключатели постоянного тока, автономные инверторы, преобразователи частоты в устройствах импульсного регулирования напряжения. В схеме рис. 10.30, а запирание тиристора VS1 обусловлено резонансным характером нагрузки в его цепи. При отпирании тиристора VS1 рабочий ток, проходящий через него, заряжает конденсатор С с полярностью, указанной на схеме в скобках. Затем рабочий ток в колебательном контуре, образованном реактором L и конденсатором С, спадает до нуля. Конденсатор перезаряжается (полярность указана без скобок), его ток изменяет свое направление, тиристор VS1 запирается. Время, в течение которого тиристор VS1 находится в открытом состоянии, равно половине периода собственных колебаний резонансного контура: t = π√LC. Нагрузка Rн может быть включена как параллельно конденсатору С, так и последовательно с резонансным контуром LC. В схеме на рис. 10.30, б запирание тиристора VS1 также происходит из-за резонансного изменения направления проходящего через него тока, но это осуществляется с помощью вспомогательного LC-контура. До включения тиристора VS1 конденсатор С заряжается (полярность указана в скобках). Когда тиристор VS1 открывается, он шунтирует контур LC, конденсатор С перезаряжается через реактор L и его полярность изменяется на обратную (эта полярность указана без скобок). Во время этого процесса через тиристор VS1 протекают два тока – ток нагрузки и ток перезаряда конденсатора. Вначале эти два тока совпадают по направлению, затем ток разряда конденсатора начинает протекать через тиристор VS1 в направлении, противоположном току нагрузки. Когда суммарный ток падает до нуля и затем изменяет свое направление, тиристор VS1 закрывается. Для увеличения продолжительности открытого состояния тиристора VS1 при искусственной коммутации в таких схемах иногда используют реакторы или автотрансформаторы с нелинейной индуктивностью (с насыщающимися сердечниками, имеющими прямоугольную петлю гистерезиса).

Рассмотренные способы коммутации широко используются в автономных инверторах и регуляторах, служащих для частотно-импульсного регулирования напряжения. На схеме рис. 10.30, в тиристор VS1 запирается параллельно подключенными конденсатором С и тиристором VS2. Переключение тиристоров производится устройством управления, импульсы которого подаются поочередно на управляющие электроды тиристоров VS1 и VS2. Когда тиристор VS1 открыт, через резистор Rн2 и конденсатор С протекает ток заряда и на конденсаторе устанавливается полярность, указанная в скобках. При отпирании тиристора VS2 конденсатор С разряжается на тиристор VS1 в направлении, противоположном протеканию тока нагрузки, и тиристор VS1 запирается. После закрытия тиристора VS1 конденсатор С начинает заряжаться через резистор Rнl и приобретает противоположную полярность. При повторном открытии тиристора VS1 происходит перезаряд конденсатора С. Он разряжается на тиристор VS2, вследствие чего этот тиристор запирается. Этот способ коммутации тиристоров широко применяется в автономных инверторах. На схеме рис. 10.30, г запирание силового тиристора VS1, включенного в цепь нагрузки Rн, осуществляется коммутирующим конденсатором С или LC-контуром, подключаемым к тиристору VS1 коммутирующим тиристором VS2 малой мощности. Перезаряд коммутирующего конденсатора С происходит через цепочку, содержащую индуктивность L и диод VD1. Предварительно открытием коммутирующего тиристора VS2 конденсатор С заряжается через нагрузочный резистор Rн и приобретает полярность, указанную в скобках. Затем открывается силовой тиристор VS1 и происходит перезаряд конденсатора через резонансный контур, образованный конденсатором Си индуктивностью L. Если бы в этот контур не был включен диод VD1, то происходил бы непрерывный процесс заряда и разряда конденсатора, и ток в контуре изменял бы свое значение и направление с резонансной частотой. Однако диод VD1 не позволяет этому току изменять свое направление. Поэтому происходит лишь однократный перезаряд конденсатора С, и он приобретает полярность, указанную на схеме без скобок. При повторном включении коммутирующего тиристора VS2 конденсатор С разряжается на силовой тиристор VS1, и он закрывается. При этом конденсатор С снова перезаряжается через нагрузочный резистор Rн и приобретает первоначальную полярность, т.е. оказывается подготовленным для нового цикла работы. Этот способ коммутации широко применяется в регуляторах, которые служат для широтно-импульсного регулирования напряжения.

Рис. 10.30. Схемы коммутации тиристоров. а – естественная коммутация; б – с помощью дополнительного LC-контура;
в – с помощью коммутирующего конденсатора С, г – с помощью коммутирующего тиристора VS2;
д – с помощью дополнительного источника напряжения GB

В схеме рис. 10.30, д силовой тиристор VS1 запирается импульсами тока, которые подаются от внешнего источника напряжения. В простейшем случае в качестве ключа, подключающего к тиристору VS1 источник обратного напряжения GB, может служить транзистор VT1. Можно также подавать импульс обратного тока от внешнего импульсного генератора через трансформатор тока, включенный последовательно с нагрузкой.

Глава 11.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ.