Призначення СІФК

СІФК являє собою сукупність пристроїв та елементів, призначених для генерації керуючих імпульсів із заданими параметрами – амплітудою, тривалістю, формою, а також для їх розподілення по вентилях з керованою затримкою (фазою) відносно переходу змінної напруги через нуль.

Застосовується СІФК у пристроях перетворення електричної енергії – керованих випрямлячах, інверторах, регуляторах напруги і т.д.

В залежності від кількості фаз СФК поділяються на одно- та багатофазні.

Залежно від кількості каналів, для яких формуються імпульси керування, СІФК поділяються на одно- та багатоканальні.

За принципом керування бувають СІФК з горизонтальним або вертикальним керуванням.

За принципом обробки сигналу – аналогові або цифрові.

За характером взаємодії з мережею вони поділяються на синхронні (коли відлік затримки видачі імпульсів керування ведеться від незмінної фази мережі) та асинхронні (відлік затримки ведеться від попереднього імпульсу). Більше розповсюдження знайшли синхронні СІФК.

Вимоги, що висуваються до СІФК та форми керуючих імпульсів

Система імпульсно-фазового керування повинна створювати синхронізовану з напругою мережі систему імпульсів, що зсунута в часі залежно від величини керуючої дії з метою регулювання вихідної напруги.

СІФК повинна забезпечувати:
1) достатню для вмикання тиристорів амплітуду напруги і струму імпульсів керування − (10...20) В, (20...2000) мА;
2) високу крутизну фронтів керуючих імпульсів (не менше 0,5 – 1,0 А/мкс);
3) необхідний діапазон регулювання величини кута керування α у заданому діапазоні з необхідною точністю, наприклад, при активному навантаженні максимально можливий діапазон регулювання для однофазних випрямлячів повинен складати 180°, для трифазного випрямляча з нульовим виводом – 150°, для трифазного мостового випрямляча – 120°;
4) достатню тривалість керуючих імпульсів: а) з точки зору фізики роботи тиристора – 20 мкс; б) виходячи з особливостей схеми, в трифазній мостовій схемі потрібна тривалість імпульсів більше 60°; в) при активно-індуктивному навантаженні з великою індуктивністю необхідно застосовувати довгі імпульси (120° в трифазних схемах);
5) гальванічне розділення виходу СІФК і керуючого електрода силового тиристора;
6) достатню швидкість спрацювання;
7) достатню симетрію керуючих імпульсів;
8) високу завадостійкість як з боку інформаційного входу, так і з боку мережі.

У СІФК застосовуються керуючі імпульси малої і великої тривалості, а також імпульси з високочастотним заповненням (імпульсний «пакет») - рис. 1.

Рис. 1. Форми імпульсів керування тиристорами

Імпульси малої тривалості (рис. 1, а), як правило, не перевищують 20°. Сигнали управління великої тривалості (рис. 1, б) мають t_i на рівні 120°, а їх підсилювачі потужності характеризуються високими масогабаритними показниками імпульсного трансформатора. Для усунення даного недоліку застосовуються імпульси з високочастотним заповненням (рис. 1, в), коли протягом необхідного інтервалу часу t_i на керуючий електрод вентиля подається «пакет», що складається з серії високочастотних імпульсів тривалістю t^*_i, та обирається за умовою

де t_вкл − час включення тиристора при максимальному анодному струмі.

При «пакетному» керуванні інтервал паузи t_п між сусідніми імпульсами складає

де t_викл − час виключення тиристора при максимальному анодному струмі, як правило, t_викл = 10t_вкл.

СІФК з горизонтальним керуванням

У СІФК, що реалізують горизонтальний спосіб керування, керуючий імпульс генерується, коли змінна керуюча напруга проходить через нуль.

Затримка імпульсу регулюється зміною фази керуючої напруги відносно напруги мережі, тобто ніби зсувом керуючої напруги горизонтально.

Розглянемо роботу СІФК з горизонтальним керуванням на прикладі одного каналу багатоканальної системи керування, функціональна схема якого зображена на рис. 2.

Рис. 2. Функціональна схема каналу багатоканальної СІФК з горизонтальним керуванням

На схемі позначено: С − синхронізатор; ГЗН − генератор змінної напруги; МФО − мостовий фазообертач (забезпечує регулювання фази напруги u₁ від 0 до π); ФЗП − фазозсувний пристрій; ФІ − формувач імпульсів (виробляє прямокутні імпульси напруги при проходженні u_К через 0); ПП − підсилювач потужності (підсилює потужність керуючого імпульсу u_і до рівня, необхідного для надійного вмикання тиристора). На рис. 3 наведені часові діаграми роботи такої СІФК.

Рис. 3. Часові діаграми роботи СІФК з горизонтальним керуванням

СІФК з вертикальним керуванням

Більш широко застосовуються СІФК, що реалізують вертикальний спосіб керування, за якого керуючий імпульс генерується в момент зрівняння напруги, що змінюється лінійно, та постійної опорної напруги керування. Цей процес ілюструють часові діаграми, наведені на рис. 4.

Рис. 4. Часові діаграми методу вертикального керування (u_л − лінійно змінювана напруга; U₀ − опорна напруга)

Кут керування α змінюється зі зміною U₀ ніби по вертикалі.

Пристрій, де порівнюються u_л та U₀, називається вузлом порівняння (ВП). Він генерує сигнал у момент зміни знаку різниці напруг (u_л − U₀).

СІФК з вертикальним керуванням можуть бути одно- та багатоканальними. Останні набули більше розповсюдження. На рис. 5 зображена функціональна схема двоканальної СІФК з вертикальним керуванням однофазного двонапівперіодного випрямляча з нульовим виводом трансформатора.

Рис. 5. Функціональна схема двоканальної СІФК з вертикальним керуванням

На схемі позначено: ГЛН − генератор лінійно змінюваної напруги; ВП − вузол порівняння напруг; ФЗП − фазозсувний пристрій; ФІ – формувач імпульсів; ПП – підсилювач потужності.

Часові діаграми роботи каналу СІФК з вертикальним керуванням наведені на рис. 6.

Рис. 6. Часові діаграми роботи каналу СІФК з вертикальним керуванням

Під час дії на тиристор позитивної півхвилі анодної напруги uа ГЛН генерує лінійно змінювану напругу u_л, яка надходить на один з входів вузла порівняння ВП. На другий вхід ВП подається постійна опорна напруга U₀.

У момент зрівняння цих напруг, коли u_л = U₀, на виході ВП формується сигнал, фаза якого регулюється зміною величини напруги U₀.

Вузли ГЛН та ВП виконують роль фазозсувного пристрою ФЗП. Вузли ФІ та ПП призначені для формування та підсилення імпульсів керування uі необхідної тривалості.

Кількість каналів СІФК відповідає кількості тиристорів керованого випрямляча.

Типові вузли СІФК

Генератор лінійно змінюваної напруги (ГЛН) призначений для утворення лінійно змінюваної (пилкоподібної) напруги – імпульсної напруги, яка впродовж деякого часу змінюється практично за лінійним законом, а потім повертається до вихідного рівня (рис. 7).

Рис. 7. Часові діаграми лінійно змінюваної напруги

Лінійно змінювана напруга характеризується періодом Т , тривалістю робочого ходу t_p тривалістю зворотного ходу t_зв, амплітудою U_m, коефіцієнтом нелінійності ε.

Формування лінійно змінюваної напруги засновано на чергуванні в часі процесів зарядження і розрядження конденсатора. Схема транзисторного ГЛН зображена на рис. 8.

Рис. 8. Транзисторний генератор пилкоподібної напруги

Вона складається з таких елементів: TV − трансформатор напруги, вторинна u₂ і первинна u₁ напруги якого протифазні; VT − транзисторний ключ; R2, R3, C − зарядне RC-коло, стала часу якого

де T_м − період напруги мережі живлення.

Необхідно також забезпечувати R3 << R2.

Схема працює наступним чином. За позитивної півхвилі u₂ транзистор VT відкритий, конденсатор С розряджений, вихідна напруга u_л = 0. За негативної півхвилі u₂ транзистор закривається, а конденсатор заряджається по колу (+ЕК , R2, R3, С, −ЕК). За наступної позитивної півхвилі u₂, транзистор знову відкривається і конденсатор швидко розряджається до нуля через резистор R3, що обмежує струм через транзистор. Оскільки t_з >> T_м, можна вважати, що напруга u_л змінюється лінійно (використовується лише початкова ділянка зарядної експоненти). Ці процеси ілюструють часові діаграми, наведені на рис. 9.

Рис. 9. Часові діаграми роботи генератора пилкоподібної напруги

Вузол порівняння, схема якого наведена на рис. 10, може бути виконаним на основі операційного підсилювача DA, який працює в режимі компаратора.

Рис. 10. Вузол порівняння

На його інвертуючий вхід надходить пилкоподібна напруга u_л, а на неінвертуючий – опорна напруга U₀. Вихід компаратора з'єднано з формуючим колом: із диференціюючим колом R1, С і обмежуючим діодним ключем VD, R2 , який пропускає на вихід пристрою імпульси тільки від'ємної полярності. Роботу вузла порівняння ілюструють часові діаграми, наведені на рис. 11.

Рис. 11. Часові діаграми роботи вузла порівняння

Вихідний імпульс вузла порівняння подається на одновібратор, який генерує керуючий імпульс прямокутної форми з необхідною тривалістю.

Підсилювач потужності призначений для підсилення прямокутних керуючих імпульсів до рівня, що забезпечує надійне вмикання тиристора. Схема такого підсилювача зображена на рис. 12.

Рис. 12. – Імпульсний підсилювач потужності

Він виконаний на транзисторі VT, який увімкнено за схемою з спільним емітером і працює в ключовому режимі. У колекторне коло транзистора увімкнена первинна обмотка w₁ трансформатора TV, напруга з вторинної обмотки w₂ якого подається у коло керування тиристора VS.

За відсутності вхідного імпульсу U_вх транзистор VT закритий (для надійного забезпечення закритого стану в коло його емітера подана напруга зміщення з діода VD3). Напруга на вихідній обмотці w₂ відсутня.

За надходження прямокутного вхідного імпульсу транзистор переходить у стан насичення і вся напруга E_К прикладається до первинної обмотки трансформатора w₁.

Під впливом цієї напруги магнітопровід трансформатора починає перемагнічуватися і на вторинній обмотці з'являється прямокутний позитивний імпульс

який триває протягом дії вхідного імпульсу.

Коефіцієнт трансформації n вибирається із умов забезпечення максимальної передачі потужності від підсилювача до кола керування тиристора − для надійного вмикання останнього. Трансформатор, крім узгодження вихідного кола транзистора з навантаженням (колом керування), забезпечує ще й гальванічне (електричне) розділення силового кола та кола керування.

Після закривання транзистора діоди VD1 і VD2 забезпечують розсіювання енергії, що накопичується у магнітопроводі трансформатора по закінченні вхідного імпульсу.

Фільтр R1, C1 знижує вплив роботи підсилювача на інші пристрої, що живляться також від джерела E_К, оскільки імпульсне споживання енергії призводить до появи у колах живлення завад.

Контрольні питання

1. Дайте визначення і поясніть призначення СІФК.
2. Яким вимогам повинна задовольняти СІФК?
3. Яким вимоги висуваються до форми імпульсів керування СІФК?
4. Поясніть горизонтальний принцип керування СІФК.
5. Наведіть функціональну схему одного з каналів багатоканальної СІФК з го-ризонтальним керуванням.
6. Поясніть вертикальний принцип керування СІФК.
7. Наведіть функціональну схему одного з каналів багатоканальної СІФК з вертикальним керуванням.
8. Поясніть призначення генератора лінійно змінюваної напруги.
9. Наведіть принципову схему генератора лінійно змінюваної напруги і поясніть її роботу.
10. Поясніть призначення вузла порівняння.
11. Наведіть принципову схему вузла порівняння і поясніть її роботу.
12. Поясніть призначення підсилювача потужності.
13. Наведіть принципову схему підсилювача потужності і поясніть його роботу.

НАГОРУ