научная статья по теме АНАЛИЗ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ КЛЮЧАМИ ТИРИСТОРНОГО МОСТА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Энергетика

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ КЛЮЧАМИ ТИРИСТОРНОГО МОСТА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА»

№ 4

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2014

УДК 621.314.2

АНАЛИЗ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ КЛЮЧАМИ ТИРИСТОРНОГО МОСТА

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

© 2014 г. ПАНФИЛОВ Д.И., АСТАШЕВ М.Г., РАШИТОВ П.А., РОЖКОВ А.Н.

ОАО "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского " (ОАО "ЭНИН") Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ МЭИ") E-mail: Panfilov@eninnet.ru, RozhkovAN@eninnet.ru

Проведен анализ электромагнитных процессов в мосте переменного тока при различных способах управления его ключами. Определены условия реализации безопасного переключения тиристорного моста, на основе которых выявлены ограничения его управляемости. Проведен расчет на PSpice модели электромагнитных процессов, протекающих в мосте при использовании различных способов управления ключами. Сформулированы требования к структурам систем управления тири-сторным мостом, реализующим различные способы управления ключами.

Ключевые слова: тиристорный мост переменного тока, повентильное управление, поключевое управление, коммутация тиристорных ключей.

ANALYSIS OF SWITCHING CONTROL METHODS OF AC THYRISTOR BRIDGE

Panfilov D.I., Astashev M.G., Rashitov P.A., Rozhkov A.N.

Krzhizhanovsky Power Engineering Institute (ENIN), National Research University "Moscow Power

Engineering Institute" (MPEI) E-mail: Panfilov@eninnet.ru, RozhkovAN@eninnet.ru

In this paper the electromagnetic processes analysis of the AC thyristor bridge with different switching control methods is described. Thyristor bridge state switching takes place without short circuit loopson the AC network safe time interval. Conditions for missing safe switching interval on the full period AC network are found. Differences in the switching processes on fully cut-of by limitations commutation interval by different methods are presented. Based on defined criteria the operational limitations for safe AC thyristor bridge switching are found. Pspice model of the AC current thyristor bridge is created. By means of different control methods electromagnetic processes in PSpice are simulated. Qualitative matching of modeling results and theoretical analysis of the AC current thyristor bridge switching processes is shown. For different switching control methods requirements to control system structures are defined.

Key words: AC thyristor bridge, thyristor valve control, thyristor switch (bi-directional thyristor valve) control, commutation thyristors.

В составе преобразовательных установок, эксплуатируемых в электрических сетях промышленной частоты, применяются коммутаторы переменного тока. Одной из

5,1 5,2 5п1

—• а •— $Еп

513 514 5з 5п3 5п4 К

п

К

Рис. 1. Типовая схема управляемой вольтодобавки

наиболее распространенных функций таких устройств является осуществление управляемой вольтодобавки. Топология схем коммутаторов, реализующих вольтодобавку, может быть различной. Пример схемы, построенной на базе мостовых коммутаторов, приведен на рис. 1.

Регулирование напряжения нагрузки (Хн—Кн) в данной схеме осуществляется за счет суммирования или вычитания напряжений источников Е:, ..., Е, ..., Еп с основным источником питания нагрузки Е0. Подключение и отключение источников Е1 осуществляется мостовыми коммутаторами путем изменения состояний ключей в плечах каждого моста. При этом мосты способны реализовать три режима подключения коммутируемых ими источников ЭДС во внешнюю цепь:

1) согласное подключение источника Е1 во внешнюю цепь (результирующее напряжение, подводимое к нагрузке, увеличивается);

2) встречное подключение источника Е1 во внешнюю цепь (результирующее напряжение, подводимое к нагрузке, уменьшается);

3) исключение источника Е{ из внешней цепи.

Элементная база ключей мостовых коммутаторов может быть различной. Наиболее подходящими с точки зрения эксплуатационных характеристик приборами являются полупроводниковые тиристоры и транзисторы. В областях применения, характеризующихся высокими уровнями коммутируемых токов и напряжений, при учете показателей стоимости и надежности, лидирующие позиции до сих пор сохраняют одноопе-рационные тиристоры. Схема моста, построенного на базе двунаправленных тири-сторных ключей, показана на рис. 2.

Е

к ь.

+ 1н

2~1 ^У822 ^541

IX

Рис. 2. Мостовой тиристорный коммутатор переменного тока

С

УЙ31

Уй32

1

3

Уй21

Уй42

4

и

У821, У822 У811,У512 У831, У832 У841, У842

У512 У811 У822 У521 У831, У832 У841, У842

Л |\ /1 / ,

¡0 ^ ч у 1У и ?

—►

1 П

1

1 п ,

1

У821, У822

н и У811, У812

1 и £ У831, У832

(5 У&41, У842

о

П м

У812

У811

а те У822

л и У821

1 ^ (Й У832

| У831

о С м У&41, У842

К /1

¡0 ¡1 ч у 1У г4 '

» :

1

1 т ,

п

П п ;

п

Рис. 3. Временные диаграмма: тока и напряжения моста, импульсов управления тиристорами: а — при неизменном состоянии моста; б — при изменении состояния моста

Функция двухсторонней проводимости тиристорных ключей достигается за счет встречно-параллельного включения приборов. В каждый момент времени для исключения возникновения контуров короткого замыкания источника в проводящем состоянии могут находиться не более одного ключа верхнего и нижнего плеч моста.

Организация управления включением встречно-параллельных тиристоров может осуществляться двумя различными способами: поключевым и повентильным.

При поключевом способе встречно-параллельные тиристоры рассматриваются как один управляемый ключ, на который система управления формирует управляющий сигнал без временной синхронизации с питающей сетью (рис. 3).

Повентильный способ предполагает раздельное, противофазное управление каждым тиристором двунаправленного ключа и подачу кратковременных импульсов управления для включения соответствующего тиристора на каждом полупериоде питающей сети. При этом импульсы управления тиристорами должны быть синхронизированы с моментом времени спада тока к нулю в соответствующем тиристоре (рис. 3а). Продолжительность времени подачи управляющих сигналов на тиристоры соответствующего плеча моста определяется необходимым временем поддержания ключа в проводящем состоянии. Теоретически, переключение плеч тиристорного коммутатора можно производить в любой момент времени путем одновременной смены подачи импульсов управления на встречно-параллельные тиристоры плеч верхнего или нижнего полумоста (рис. 3б).

На практике процесс переключения плеч моста достаточно сложен и на него оказывает влияние многочисленные факторы такие как: угол сдвига фаз между током моста и напряжением коммутируемого источника ЭДС, момент времени инициации процесса переключения плеч моста, параметры элементов схемы (Ьв, Я — рис. 2), время, необходимое для восстановления управляющих свойств тиристоров. Обеспечение надежной коммутации тиристоров моста возможно лишь с учетом всех перечисленных факторов.

В статье проводится анализ влияния этих факторов на электромагнитные процессы, протекающие при переключении плеч тиристорного моста при различных способах управления тиристорами. Определены ограничения и особенности протекающих процессов, учет которых позволит обеспечить надежный процесс переключения плеч моста при различных способах управления. Приведены результаты моделирования процессов в среде РЗрюе.

Рис. 4. Токи и напряжения тиристоров моста в процессе коммутации

На рис. 2 приведена схема тиристорного моста, используемая при анализе. Все элементы схемы считаются идеальными. Поскольку, в большинстве случаев, источник ЭДС, включенный в диагонали моста (точки А и В), формируется с помощью вторичной обмотки трансформатора, то эквивалентная схема этой цепи в общем виде может представлена источником ЭДС Е, активным сопротивлением обмотки Я и индуктивностью рассеяния Ьв. В мощных преобразователях активное сопротивление, как правило, мало, и не оказывает существенного влияния на переходные процессы переключения тиристоров. Внешняя часть схемы моста относительно зажимов В и С представляется источником синусоидального тока 1н. В общем виде, между источником ЭДС Е, включенным в диагональ моста, и током нагрузки имеется сдвиг фаз, определяемый временным интервалом tl—t2 (рис. 3). Положительные направления токов и напряжения, показаны на рис. 2.

Рассмотрим случай, когда в исходном состоянии моста в проводящем состоянии находились ключи 1 и 2, а после переключения в должны проводить ключи 2 и 3. Таким образом, в процессе переключения требуется обеспечить выключение ключа 1 и включение 3. При выбранных положительных направлениях токов в мосте, до переключения ключей 1 и 3 на интервале времени (рис. 3), ток проходит через тиристоры У}12 и У522 (рис. 2). На другом полупериоде в проводящем состоянии должны находиться тиристоры У} 11 и У521. Анализ процессов переключения тиристоров можно проводить на одном полупериоде тока (например, при положительной полуволне тока, рис. 3) для тиристоров У512 и У532. Процессы переключения тиристоров на другом полупериоде (отрицательной полуволне тока, рис. 3) будут аналогичны с той разницей, что в процессе переключения будут задействованы тиристоры У} 11 и У531. В результате включения ключа 3 и выключения 1 ток нагрузки будет протекать по контуру: ключ 2-Е-Я-Х5-ключ 3. Такое переключение ключей верхнего полумоста обеспечивает подключение источника ЭДС в цепь нагрузки.

Выключение ключа 1 и включение ключа 3 при положительной полуволне тока может быть осуществлено за счет отпирания тиристора У532 (повентильный способ управления) или одновременной подачей импульсов управления на оба тиристора ключа 3 (поключевой способ управления) в любой момент времени в интервале (рис. 3). На рис. 4 показаны временные диаграммы токов и напряжений в схеме моста в процессе переключения тока нагрузки из тиристора У} 12 в тиристор У532. Законы изменения токов в тиристорах определяются переходным процессом в контуре: Е-Я--У532-У512, появляющимся на интервале коммутации тиристоров. При спаде тока в тиристоре У}12 к нулю на рис. 4), и, соответственно, возрастании тока в тиристоре У532 до вели

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком