ГЛАВА 2. УПРАВЛЕНИЕ ВЕНТИЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ   463

 

2.1. Принципы построения систем управления вентилями выпрямителей

Регулирование выходного напряжения ВП в большинстве слу­чаев осуществляется за счет изменения угла открывания венти­лей . С этой целью каждый ВП снабжается системой управ­ления, которая обеспечивает формирование управляющих импуль­сов и осуществляет одновременно фазовый сдвиг этих импульсов относительно анодного напряжения вентилей. Такую систему уп­равления называют системой импульсно-фазового управления (СИФУ).

Управление углом осуществляется в основном двумя способами: синхронным, при котором отсчет угла управления ве­дется от фазы напряжения питающей сети, и асинхронным, при ко­тором регулирование фазы импульсов осуществляется без однозна­чной явно выраженной привязки к фазе питающей сети. В последнем случае управление преобразователем осуществляется с помощью обратной связи по выходному параметру ( или ).

Синхронные СИФУ выполняются многоканальными и одноканальными, асинхронные обычно – одноканальными. В многоканальных СИФУ отсчет угла управления и формирование управляющего им­пульса осуществляется для каждого вентиля (или группы венти­лей при последовательном или параллельном их соединении) от­дельно. В одноканальных системах управления формирование им­пульсов происходит в одном канале с последующим распределени­ем их по вентилям специальным устройством – распределителем импульсов.

На рис.2.1 приведена функциональная схема многоканаль­ной СИФУ, а на рис.2.2 - одноканальной СИФУ.

Рис. 2.1. Функциональная схема многоканаль­ной СИФУ: СУ - синхронизирующее устройство; ФСУ - фазо-сдвигающее устройство; ФИ - формирователь им­пульсов управления вентилями; - напряжение управления; ФРИ - устройство, формирующее и распределяющее импульсы по вентилям

 

Основным недостатком многоканальных СИФУ является труд­ность получения симметрии импульсов по каналам, так как это связано с тщательным подбором параметров СИФУ каждого канала. Одноканальные СИФУ свободны от этих недостатков, но значительно усложняются за счет использования ФРИ.

ФСУ по типу управле­ния подразде­ляются на ус­тройства с вертикальным принципом уп­равления и горизонталь­ным. Верти­кальный прин­цип получил наиболее широкое распространение, особенно в мно­гоканальных СИФУ, нашедших широкое применение в ВП для элек­тропривода.

 

Рис.2.2. Функциональная схема одноканальной СИФУ

 

Принцип вертикального управления состоит в том, что на входе формирующего устройства ФСУ происхо­дит сравнение двух напряжений: переменного (опорного) и регулируемого пос­тоянного (напряжения управления). В момент равенства этих на­пряжений на выходе формирующего устройства ФСУ появляется уп­равляющий импульс. Изменяя значение управляющего напряжения по амплитуде, можно подучить сдвиг управляющего импульса по фазе относительно анодного напряжения. На рис.2.3, 2.4 приведена иллюстрация принципа вертикального управления для двух случаев опорного напряжения: для линейного (рис. 2.3) (пилообразного) и для синусоидального (рис. 2.4). При напряжении управления формирование импульса управления будет происходить в момент времени , (при равенстве напряжений и ), кото­рому соответствует угол отпирания . При на­пряжении управления , импульс бу­дет формироваться в мо­мент времени , чему со­ответствует угол отпи­рания вентиля .

Форма опорного на­пряжения определяет вид регулировочной характе­ристики СИФУ . Например, для синусои­дального опорного нап­ряжения (рис.2.4) ре­гулировочная характери­стика будет нелинейной

.

Однако такая регулиро­вочная характеристика имеет определенные преимущества, так как в этом случае результирующая характеристи­ка ВП оказывается линейной:

.

Для линейной регулировочной характеристики

(рис.2.3) ВП оказывается нелинейным эвеном:

.

На практике наиболее употребительны СИФУ с линейными ре­гулировочными характеристиками, вследствие простоты их пост­роения и возможности коррекции характеристик БП, например с помощью нелинейных входных устройств.

В зависимости от назначения ВП к СИФУ предъявляются различ­ные требования, наи­более общие из которых: амп­литуда управляющего импульса должна быть не менее 200-400 мА; ширина управляющего импульса должна быть достаточной, чтобы ток вентиля успел на­расти до тока удержа­ния, что составляет 10-15 электрических градусов; фронт им­пульса должен быть достаточно крутым (порядка 10 А/мкс), с целью избежания боль­шой асимметрии упра­вления. Диапазон ре­гулирования угла должен лежать в пределах 150-160 электрических градусов; быс­тродействие СИФУ должно быть, по возможности, максимальным, по­зволяющим в полной мере использовать практическую безынерционность ВП.

 

Рис.2.3. Вертикальное управ­ление с линейным опорным на­пряжением

 

Конкретные примеры реализаций СИФУ вертикального и гори­зонтального типов приведены в [4,7-9].

 

Рис.2.4. Вертикальное управление с синусоидальным опорным напряже­нием

 

2.2. Прямое цифровое управление вентильными преобразователями

Достоинства полупроводниковой СИФУ с вертикальным принци­пом управления: легкость построения отдельных узлов системы управления и практическая безынерционность определяли до на­стоящего времени очень широкое применение ее в ВП.

Развитие средств микропроцессорной техники в последние годы позволило создать гибкие быстродействующие и надежные системы управления ВП. При этом центральный процессор может выполнять не только основную функцию управления - управление углом отпирания тиристоров, но и ряд вспомогательных: контроль за работой основных элементов, защиту от аварийных режимов, регулирование входного воздействия и так далее.

Управление углом отпирания ВП предусматривает три основ­ные операции: линейную синхронизацию с питающей сетью, задер­жку угла отпирания и распределение импульсов. В микропроцес­сорных системах эта операции могут быть реализованы различны­ми способами: только аппаратными или программными средствами, комбинацией аппаратных и программных средств. Ка­ждый способ имеет свои преимущества и недостатки. Однако тре­тий способ позволяет наилучшим образом использовать аппаратно-программные средства микропроцессорной системы управления ВП. Принцип построения микропроцессорной системы прямого ци­фрового управления ВП рассматривается на примере мостовой схе­мы выпрямления, приведенной на рис.2.5. Основная функция мик­ропроцессорной системы управле­ния ВП - преобразование входно­го управляющего сигнала в соот­ветствующий фазовый сдвиг меж­ду отпирающими импульсами и на­пряжением источника переменно­го тока. При этом управление должно быть засинхронизировано с переменным напряжением этого источника, то есть с напряжени­ем питающей сети. Синхронизация может выполняться один раз за период питающего напряжения или же шесть раз за период, через 1/6 часть периода сети. Второй вариант обеспечивает большее быстродействие системы управления. Реализация схемы синхронизации основана на возможности микропроцессора работать в режиме прерывания и заключается в обнаружении времени пересечения кривой питающего напряжения оси абсцисс и выработки в этот момент сигналов прерывания для вызова необходимых обслу­живающих программ. Принципиальная схема узла синхронизации приведена на рис.2.6, а временные диаграммы его работы - на рис.2.7.

 

Рис.2.5. Силовая схема

 

Схема синхронизации (линейный интерфейс) представляет собой устройство на основе трансформатора управления , первичные обмотки которого соединены в треугольник (что обес­печивает сдвиг начала синусоид вторичного напряжения трансфор­матора в точки естественного включения вентилей ВП). Ко втори­чным обмоткам трансформатора подключены компараторы , , , формирующие импульсы, отражающие проводимость вентилей каждой фазы. Вы­ходы компараторов через две микросхемы «ис­ключающее ИЛИ» подключены к формирователю узких импульсов прерывания , следующих через 60°, построен­ному на базе триггеров Шмитта. Следует указать, что выходные си­гналы компарато­ров могут служить информацией для распределения им­пульсов отпирания по вентилям, так как однозначно указывают состо­яние сети в лю­бой момент вре­мени.

 

Рис.2.6. Принципиальная схема устройства синхронизации

 

В цифровом варианте принцип работы устройства задержки может быть реализован программируемым таймером, работающим под контролем микропроцессора. В качестве таймера может исполь­зоваться большая интегральная схема (БИС) типа КР580ВИ53, ра­ботающая в режиме .

Каждую шестую часть периода сети при приеме сигнала пре­рывания микропроцессор запускает таймер управляющим словом задержи, которое заносится в счетчик. Под действием тактовых импульсов, поступающих от тактового генератора стабильной частоты, начинает уменьшаться содержимое счетчика. При достижении содержимым счетчика нулевого значения таймер выра­батывает сигнал управления вентилями. Синхронизированное линейным интерфейсом, каждые 60° цифровое устройство задержки; в соответствии с управляющим словом задержки вырабатывает си­гнал управления вентилями, значение которого лежит в диапазо­не от 0° до 60°. Если действительный угол управления больше 60° , то микропроцессор, перед тем как осуществлять распределение импульсов, обеспечивает сдвиг управляющего сиг­нала на 60° или 120° в зависимости от сигнала управле­ния на входе цифровой СИФУ.

 

 

Рис.2.7. Временные диаграммы устройства синхронизации

 

Следует подчеркнуть, что в тех случаях, когда необходимо получить нелинейную зависимость между углом отпирания и сиг­налом управления, например, арккосинусоидальную, то в посто­янное запоминающее устройство (ПЗУ) микропроцессора должна быть занесена соответствующая таблица, преобразующая входной управляющий сигнал в его арккосинус.

Кроме того, для обеспечения надежной работы ВП в инверторном режиме входной управляющий сигнал должен ограничивать­ся микропроцессором до значения, соответствующего углу отпира­ния вентилей 160°.

Функция распределения импульсов по тиристорам ВП возла­гается на микропроцессор, который на основании информации о состоянии сети с линейного интерфейса и текущего значения вхо­дного сигнала управления вырабатывает последовательность отпи­рающих импульсов. В данном случае очень эффективным средством для определения конкретного включаемого тиристора является та­блица состояния, заносимая в ПЗУ системы (табл. 2.1).

 

Таблица 2.1

Входной сигнал управления	Линейное состояние сети	Включаемый тиристор
0° 60°
60° 120°
120° 180°

 

Структурная схема микропроцессорной системы управления ВП приведена на рис. 2.8. Емкость ПЗУ составляет 2 Кбайта, ОЗУ - 1 Кбайт. Центральный процессор выполнен на основе БИС КР580ИК80 и включает в себя, кроме нее, кварцевый генератор тактовых им­пульсов, схему сброса, схему готовности, блок обработки преры­вания и буферные регистры шины данных и шины адреса. ОЗУ вы­полнено на интегральной схеме К565РУ2 и предназначено для вре­менного хранения заносимой информации. Емкость ОЗУ выбрана с запасом. ПЗУ реализовано на интегральной схеме К573РФ1 и пред­назначено для хранения управляющих программ. Порты ввода-вывода построены на БИС параллельного интерфейса КР560ВВ55, а програм­мируемый таймер - на БИС КР560ВИ53. Тактовая частота кварцевого генератора выбрана равной 2 КГц. При этом в 8-битных управля­ющих сигналах ошибка в определении угла регулирования не более 0,5°.

Программное обеспечение системы управления ВП состоит из двух подпрограмм, каждая из которых выполняется на интервале 1/6 периода напряжения сети.

Рис.2.8. Структурная схема микропроцессорной системы: МПУ - центральный процессор; ПТ - про­граммируемый таймер; ПЗУ - постоянное запомина­ющее устройство; ОЗУ - оперативное запоминающее устройство; ЛИС - линейный интерфейс сети; ПВВ -порт ввода-вывода; УФИ - усилитель-формирова­тель отпирающих импульсов

 

Подпрограмма вызывается и выполняется при приеме импульса синхронизации , выдаваемого схемой линейного интерфейса сети во время каждого пересечения «нуля» напряже­ниями сети. Алгоритм подпрограммы приведен на рис. 2.9. Сна­чала микропроцессор читает состояние сети и входной сигнал управления, соответствующий данному углу регулирования . После этого, в зависимости от заданного значения производится обработка управляющего слова. Если 0° 60°, обработка не происходит, если 60° 120°, то управляющее слово уменьшается на 60°, если 120° 180°, то уменьшение происхо­дит на 120° . Затем преобразованное таким образом управля­ющее слово загружа­ется в счетчик про­граммируемого тай­мера, и начинается отсчет задержки уг­ла регулирования. Когда счетчик тайме­ра достигает нулево­го уровня с заданной точностью, например, с ошибкой по углу регулирования не более чем два электрических граду­са, на микропроцессор выдается второй сиг­нал прерывания , по которому начинает выполняться подпро­грамма , структурная схема алгоритма которой приведена на рис. рис. 2.10.

 

Рис. 2.9. Структурная схема алго­ритма подпрограммы

 

Микропроцессор опре­деляет команду отпирания (см. табл. 2.1), занесен­ную в ПЗУ, учитывая состо­яние сети значе­ние сигнала уменьшения (от подпрограммы ). После этого он вы­рабатывает сигнал отпира­ния, который поступает на порт вывода и с него на усилитель-формирователь импульсов, затем микро­процессор возвращается к основной подпрограмме .

 

Рис. 2.10. Структурная схеме алгоритма подпрограммы о

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Высшая школа, 1982. - 494 с.

2. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник /О.Г, Чебовский, Л.Г. Моисеев, Р.П. Недошивин. - 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 400 с.

3. Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи. Т. 3. - М.: Госэнергоиздат, 1956. - 528 с.

4. Полупроводниковые выпрямители /Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой. - М.: Энергия, 1978. - 478 с.

5. Маевский О.A,. Энергетические показатели вентильных преоб­разователей. - М.: Энергия, 1978. - 320 с.

6. Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразо­вательной техники. - К.: Высшая школа, I960. - 422 с.

7. Писарев А.Л., Деткин Л.П. Управление тиристорными преобра­зователями. - К.: Энергия, 1975. - 263 с.

8. Справочник по преобразовательной технике / Под ред. И.К. Чи­женко. - Киев: Технiка, 1978. - 477 с.

9. Ривкин Г.А. Преобразовательные устройства. - М.: Энергия, 1970. - 544 с.

10. Силовая электроника: Примеры и расчеты: Пер. с англ. / Ф.Чаки, И. Герман, И.Ипшич и др. - М.: Энергоиздат, 1982. - 384 с.