Системы управления преобразовательными агрегатами тяговых подстанций

Назначение систем управления заключается в генерировании импульсов управления и подаче их на управляющие электроды тиристоров в схемах управляемых выпрямителей и инверторов.

К системам управления предъявляются следующие требования, зависящие от физических процессов в тиристорах и от режима работы схемы преобразователя:

1) По параметрам управляющих сигналов – величина напряжения и тока на управляющем электроде тиристора (U _упр = 10…20 В; I _упр ³ 2А), а также по крутизне фронта импульса управления (dI_упр/dt = 0,2…0,3 A/мкс).

2) По алгоритму управления – диапазон регулирования для a = 0…60 ⁰Эл и b=15…60 ⁰Эл и порядок подачи импульсов на вентильные плечи преобразователя.

3) По эксплуатационным показателям – быстродействие, помехозащищённость и надёжность.

Применяются системы фазового управления тиристорами, то есть импульсы управления генерируются в зависимости от разности фаз между моментом естественной коммутации и необходимым моментом подачи управляющего импульса. Структурная схема системы управления представлена на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Структурная схема системы управления преобразовательным агрегатом:

УС – устройство синхронизации, ФСУ – фазосдвигающее устройство, ВУ – выходное устройство

Устройство синхронизации УС служит для получения импульсного сигнала при каждом переходе каждой из трёхфазных синусоид через ноль (синхронизации импульсов управления с частотой питающей сети). Фазосдвигающее устройство ФСУ формирует по сигналу «Задание угла регулирования» необходимую величину a или b (соответствующее фазовое положение управляющего импульса). Выходные устройства ВУ1, ВУ2, …, ВУN формируют управляющие импульсы для тиристоров в соответствии с необходимыми величинами U _упр, I _упр и dI_упр/dt и подают их на соответствующее вентильное плечо преобразователя.

Схема устройства синхронизации представлена на рис. 9.2. Устройство состоит их двух схем: схемы амплитудных ограничителей (рис. 9.2, а) и схемы формирователя импульсов в каждый момент перехода каждой синусоиды через ноль (рис. 9.2, б).

Схема амплитудных ограничителей содержит трёхфазный трансформатор, вторичные обмотки которого выполнены раздельно. К каждой фазе вторичной обмотки подключены амплитудные ограничители R1, VD1, VD2 – к фазе А, R2, VD3, VD4 – к фазе В и R3, VD5, VD6 – к фазе С. Поскольку величина сигнала после амплитудных ограничителей равна величине прямого падения напряжения на открытом диоде (<1 В), в схеме применяется усилитель напряжения на транзисторе VT1, включённом по схеме с общей базой. Порядок формирования УС импульсного

сигнала представлен на временной диаграмме (рис. 9.3).

Рис. 9.2. Принципиальная электрическая схема устройства синхронизации:

а - схема амплитудных ограничителей; б - схема формирователя импульсов

Амплитудные ограничители формируют прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности, соответствующие синусоидальному сигналу своей фазы. Последовательное включение амплитудных ограничителей в цепь эмиттера транзистора VT1 приводит к тому, что на транзистор поступают импульсы положительной и отрицательной полярности. Импульсами отрицательной полярности транзистор открывается, поэтому напряжение U_вых представляет собой уже однополярные импульсы с амплитудой, равной напряжению источника питания +U. Эти импульсы поступают на формирователь, выполненный на микросхемах DD1, DD2, в котором интегрирующая цепь R5C1 задаёт длительность синхроимпульса на выходе

элемента DD2.4. Затем импульсы синхронизации поступают на ФСУ.

Рис. 9.3. Временная диаграмма работы устройства синхронизации

ФСУ содержит генератор пилообразного напряжения (ГПН), компаратор, который сравнивает величину напряжения ГПН и опорного напряжения от регулятора угла управления (a или b), и одновибратор, который вырабатывает одиночный импульс длительностью около 500 микросекунд. Схема ФСУ представлена на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Схема фазосдвигающего устройства

Генератор пилообразного напряжения выполнен на транзисторе VT1 и интегрирующей цепочке R1C1. Коротким импульсом «синхр» с выхода УС транзистор VT1 открывается и быстро разряжает конденсатор С1. Когда транзистор закрывается, конденсатор С1 начинает медленно заряжаться через резистор R1. Напряжение на конденсаторе нарастает практически линейно. Пока напряжение на конденсаторе С1 меньше порогового, установленного резистором R2, на выходе компаратора DA1 напряжение близко к нулю. Как только напряжение на С1 становится равным пороговому, компаратор переключается, и на одновибратор поступает высокий уровень напряжения. Одновибратор вырабатывает одиночный импульс длительностью около 500 микросекунд. Длительность этого импульса должна быть больше длительности процесса коммутации вентильных токов. Импульс с выхода одновибратора поступает на выходные устройства ВУ1…ВУN. Временная диаграмма работы ФСУ представлена на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Временная диаграмма работы ФСУ

Выходные устройства ВУ служат для усиления импульсов управления, которые вырабатывает одновибратор ФСУ, и подачи импульсов на управляющие электроды тиристоров. Если тиристоры не оптронные, то обязательным элементом ВУ является импульсный трансформатор, служащий для гальванической развязки и согласования выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления управляющего электрода тиристора. Поскольку в вентильном плече выпрямителя или инвертора устанавливается несколько тиристоров параллельно и последовательно, и открывать их необходимо одновременно, применяется схема с последовательным включением специальных импульсных трансформаторов.

У специальных импульсных трансформаторов первичная обмотка выполнена в виде одного витка, проходящего через магнитопроводы всех импульсных трансформаторов одного вентильного плеча. Вторичная обмотка каждого импульсного трансформатора подключается к управляющему электроду своего тиристора. Питание первичной обмотки для создания необходимых величин напряжения и тока на управляющем электроде тиристора (U _упр = 10…20 В; I _упр ³ 2А), а также крутизны фронта импульса управления (dI_упр/dt = 0,2…0,3 A/мкс) осуществляется от тиристорного формирователя импульсов. Напряжение питания на тиристорный формирователь поступает синхронно с напряжением на вентильном плече от трёхфазного трансформатора.

Схема ВУ представлена на рис. 9.6.

Рис. 9.6. Схема выходного устройства ВУ

Тиристор VS1 служит для формирования мощных импульсов тока, поступающих в первичную обмотку специального импульсного трансформатора ТИ2. Основные тиристоры вентильного плеча VSO1, VSO2 подключены к вторичным обмоткам ТИ2.

Питание тиристора VS1 осуществляется от отдельного трансформатора напряжением той же фазы, которая поступает на вентильное плечо. Для обеспечения автоматического закрывания тиристора VS1 он получает питание через однополупериодный выпрямитель на диоде VD1. Элементы L_ф, С_ф, R2, C2 служат для подавления помех.

Импульсный трансформатор ТИ1 обеспечивает гальваническую развязку ВУ от ФСУ, чтобы высокое напряжение от тиристора VS1 не повредило микросхемы в ФСУ.

Резисторы R1, R3, R4 служат для выравнивания входного сопротивления управляющих электродов тиристоров, а диоды VD2, VD3, VD4 – для защиты управляющих электродов от выбросов напряжения отрицательной полярности вторичных обмоток импульсных трансформаторов.

Контрольные вопросы

1. Для чего предназначены системы управления выпрямительно-инверторными агрегатами тяговых подстанций?

2. Какие требования предъявляются к системам управления по параметрам управляющих сигналов? По алгоритму управления? По эксплуатационным показателям?

3. Нарисуйте структурную схему системы управления. Объясните назначение функциональных узлов схемы.

4. Как получают синхронизирующие импульсы?

5. Как устанавливают заданную величину угла управления (a или b)?

6. Для чего в выходном устройстве применяют импульсные трансформаторы?