Формирователь импульсов управления для тиристора

 

Сущность изобретения: формирователь содержит источник управляющего напряжения 1, источник синхронизирующего напряжения 2, пороговый элемент 3, два элемента НЕ 4, 9, удвоитель частоты 5, умножитель частоты 6, формирователь импульсов сброса 7, преобразователь напряжение-частота синхронного типа 8, два трехвходовых элемента И 10, 12, два двухвходовых элемента И 11, 15, двухвходовый элемент ИЛИ 13, двоичный счетчик 14, трехвходовый элемент ИЛИ - НЕ 16. 2 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для использования в тиристорных устройствах различного назначения, например в управляемых выпрямителях.

Известны формирователи импульсов управления для тиристоров, содержащие интегратор, выполненный на усилителе постоянного тока, на входе которого включен резистор, а в цепи обратной связи - конденсатор, пороговый элемент, подключенный к выходу интегратора, импульсный усилитель, подключенный к выходу порогового элемента, и блок синхронизации, включенный параллельно емкости интегратора (см. : Комлев В. П. , Михайлов А. В. Блок управления тиристорным преобразователем с использованием релаксационных генераторов импульсов. - Известия вузов СССР. Электромеханика, 1975, N 11, c 1218-1223, рис. 1; а. с. СССР N 564705, кл. H 02 P 13/16, 1977). В таких устройствах в течение рабочего полупериода напряжения сети выходное напряжение интегратора изменяется по линейному закону со скоростью, пропорциональной величине входного сигнала, до напряжения срабатывания порогового элемента. При срабатывании последнего происходит запуск импульсного усилителя, в результате чего формируется импульс управления тиристором. Блок синхронизации обеспечивает установку схемы в исходное состояние к началу следующего рабочего полупериода напряжения сети.

Таким образом, включение тиристора происходит при действии управляющего импульса, а выключение - при уменьшении протекающего через него тока до 0. В результате этого тиристорные устройства, например, управляемые выпрямители и регуляторы переменного тока имеют низкий коэффициент мощности (Маевский О. П. Энергетические показатели вентильных преобразователей. М. : Энергия, 1978. - 320 с. ). Улучшение энергетических характеристик тиристорных преобразователей может быть достигнуто при использовании запираемых тиристоров и таких алгоритмов управления ими, при которых основная гармоника регулируемого переменного напряжения не имеет фазового сдвига. Однако, известные формирователи импульсов управления тиристором не могут быть непосредственно использованы для управления запираемыми тиристорами.

Следовательно, недостаток известных формирователей импульсов управления тиристорами - ограниченные функциональные возможности.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является формирователь импульсов управления для тиристора, содержащий последовательно соединенные источник синхронизирующего напряжения и пороговый элемент, выход которого подключен к объединенным входам элемента НЕ, формирователя импульсов сброса и умножителя частоты, выход которого подключен к синхронизирующему входу преобразователя напряжение - частота синхронного типа, информационный вход которого подключен к выходу источника управляющего напряжения, а выход соединен с первым входом первого двухвходового элемента И, второй вход которого подключен к выходу элемента НЕ, а выход соединен с первым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к суммирующему входу двоичного счетчика, R-выход которого соединен с выходом формирователя импульсов сброса, и второй двухвходовой элемент И, первый вход которого подключен к выходу порогового элемента, второй вход соединен с выходом умножителя частоты, а выход подключен к второму входу элемента ИЛИ (а. с. СССР N 1494167, кл. H 02 M 1/08, 1989).

Работа такого устройства происходит в два такта. В первом такте, соответствующему нерабочему полупериоду синхронизирующего сигнала, с помощью двоичного n-разрядного счетчика осуществляется счет выходных импульсов преобразователя напряжение - частота синхронного типа, следующих с частотой, пропорциональной управляющему напряжению и частоте синхронизирующего напряжения. Во втором рабочем полупериоде осуществляется заполнение счетчика импульсами умножителя частоты синхронизирующего напряжения. В момент записи в счетчике числа 2^n-1происходит формирование импульса управления. В конце каждого рабочего полупериода осуществляется установка счетчика в исходное состояние, соответствующее записи в нем 0. Угол включения тиристора регулируется от 180 эл. град. при нулевом управляющем сигнале до 0 при максимальном напряжении управления.

Известное устройство обеспечивает высокую точность формирования угла включения тиристора при изменениях частоты питающей сети и высокочастотных помехах во входном управляющем сигнале.

Однако, известный формирователь импульсов управления для тиристора не может быть непосредственно использован для управления запираемыми тиристорами.

Следовательно, недостаток известного формирователя импульсов управления для тиристора - ограниченные функциональные возможности.

Цель предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей устройства путем использования для управления запираемым тиристором.

Поставленная цель достигается тем, что в известный формирователь импульсов управления для тиристора, содержащий последовательно соединенные источник синхронизирующего напряжения и пороговый элемент, выход которого подключен к объединенным входам элемента НЕ, формирователя импульсов сброса и умножителя частоты, выход которого подключен к синхронизирующему входу преобразователя напряжение - частота синхронного типа, информационный вход которого подключен к выходу источника управляющего напряжения, а выход соединен с первым входом первого двухвходового элемента И, второй вход которого подключен к выходу элемента НЕ, а выход соединен с первым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к суммирующему входу двоичного счетчика, R-вход которого соединен с выходом формирователя импульсов сброса, и второй двухвходовый элемент И, дополнительно введены удвоитель частоты, трехвходовый элемент ИЛИ-НЕ, два трехвходовых элемента И, элемент НЕ, а двоичный счетчик выполнен реверсивным, при этом его вычитающий вход подключен к выходу второго трехвходового элемента И, третий вход которого через второй элемент НЕ подключен к выходу удвоителя частоты, вход которого соединен с входом порогового элемента, первый, второй и третий входы первого трехвходового элемента И подключены к выходам соответственно удвоителя частоты, умножителя частоты и порогового элемента, а выход подключен к второму входу двухвходового элемента ИЛИ, первый и второй входы второго трехвходового элемента И подключены к выходам соответственно порогового элемента и умножителя частоты, второй вход второго двухвходового элемента И подключен к выходу удвоителя частоты, выход старшего разряда двоичного счетчика подключен к объединенным первым входам второго двухвходового элемента И и трехвходового элемента ИЛИ-НЕ, второй и третий входы которого подключены к выходам соответственно первого элемента НЕ и удвоителя частоты, выходы второго двухвходового элемента И и трехвходового элемента ИЛИ-НЕ служат выходом устройства.

По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет отличительные признаки: - элемент НЕ; - трехвходовый элемент ИЛИ-НЕ; - удвоитель частоты; - два трехвходовых элемента И; - двоичный счетчик выполнен реверсивным.

Следовательно, предлагаемое решение соответствует требованию "новизна".

При реализации предлагаемого изобретения формирователь импульсов управления для тиристора обеспечивает управление запираемыми тиристорами в составе управляемых выпрямителей и регуляторов переменного напряжения. При этом реализуемый алгоритм позволяет получить нулевой фазовый сдвиг основной гармоники регулируемого напряжения относительно питающего напряжения.

Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует требованию "положительный эффект".

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области импульсной техники и промышленной электроники.

Известен элемент НЕ в формирователе импульсов управления для тиристора по авт. свид. СССР N 955416, кл. H 02 M 1/08, 1980. В известном устройстве элемент НЕ включен между выходом ждущего мультивибратора и одним из входов элемента И и является элементом схемы защиты устройства от помех. В предлагаемом устройстве элемент НЕ включен между выходом удвоителя частоты и одним из входов элемента И и является элементом схемы управления реверсивным двоичным счетчиком.

Известны трехвходовые элементы И в формирователях импульсов управления для тиристоров (а. с. СССР N 966416, кл. H 02 M 1/08, 1980; а. с. СССР N 1001434, кл. H 02 P 13/16, 1983; а. с. СССР N 1014120, кл. H 02 P 13/16, 1983). В известном и предлагаемом устройствах элементы И выполняют близкие по технической сущности функции логического управления работой формирователей.

Удвоитель частоты, трехвходовый элемент ИЛИ-НЕ и двоичный реверсивный счетчик в известных устройствах аналогичного назначения не обнаружены.

Следовательно, предлагаемое устройство соответствует требованию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведена функциональная схема формирователя импульсов управления для тиристора. Устройство содержит источник управляющего напряжения 1, источник синхронизирующего напряжения 2, пороговый элемент 3, первый 4 и второй 9 элементы НЕ, удвоитель частоты 5, умножитель частоты 6, формирователь импульсов сброса 7, преобразователь напряжение-частота синхронного типа 8, первый 10 и второй 12 трехвходовые элементы И, первый 11 и второй 13 двухвходовые элементы И, двухвходовый элемент ИЛИ 13, двоичный счетчик 14, трехвходовый элемент ИЛИ-НЕ 16.

В предлагаемом устройстве последовательно соединены источник синхронизирующего напряжения 2 и пороговый элемент 3, выход которого подключен к объединенным третьему входу первого трехвходового элемента И 10, первому входу второго трехвходового элемента И 12 и входам первого элемента НЕ 4, удвоителя частоты 5, формирователя импульсов сброса 7 и умножителя частоты 6, выход которого подключен к объединенным вторым входам первого 11 и второго 12 трехвходовых элементов И и синхронизирующему входу преобразователя напряжение-частота синхронного типа 8, вход которого подключен к выходу источника управляющего напряжения 1, а выход соединен с первым входом первого двухвходового элемента И 11, второй вход которого подключен к выходу первого элемента НЕ 4, а выход соединен с первым входом элемента ИЛИ 13, второй вход которого подключен к выходу первого трехвходового элемента И 10, а выход подключен к суммирующему входу двоичного счетчика 14, вычитающий вход которого подключен к выходу второго трехвходового элемента И 12, R-вход соединен с выходом формирователя импульсов сброса 7, а выход старшего разряда подключен к объединенным первым входам второго двухвходового элемента И 15 и трехвходового элемента ИЛИ-НЕ 16, вторые входы которых подключены к выходам соответственно удвоителя частоты 5 и первого элемента НЕ 4, третий вход трехвходового элемента ИЛИ-НЕ 16 объединен с входом второго элемента НЕ 9 и с первым входом первого трехвходового элемента И 10 и подключен к выходу удвоителя частоты 5, третий вход второго трехвходового элемента И 12 соединен с выходом второго элемента НЕ 9, выходы второго двухвходового элемента И 15 и трехвходового элемента ИЛИ-НЕ 16 служат выходами устройства.

Временные диаграммы, поясняющие принцип действия формирователя импульсов управления для тиристора, показаны на фиг. 2, где обозначено: U₁ - управляющее напряжение; U_сх - синхронизирующее напряжение; N₁₄ - сигнал, отражающий состояние счетчика 14; U_14n - сигнал на выходе n-го разряда счетчика 14; U₁₅, U₁₆ - выходные сигналы устройства. Выходные сигналы элементов устройства обозначены символом U с индексом, соответствующем номеру элемента на функциональной схеме (см. фиг. 1).

Формирователь импульсов управления для тиристора работает следующим образом. Сигнал U_y источника управляющего напряжения 1 поступает на вход преобразователя напряжение-частота синхронного типа 8, на выходе которого формируется последовательность импульсов с частотой f₈, пропорциональной управляющему напряжению U_y и частоте f₆синхронизирующих импульсов U₆, поступающих на синхронизирующий вход преобразователя напряжение-частота 8 с выхода умножителя частоты 6: f₈ = K₈f₆U_8, где К₈ - коэффициент передачи преобразователя напряжение-частота 8.

Сигнал источника синхронизирующего напряжения 2, пропорциональный напряжению фазы электрической сети, поступает на вход порогового элемента 3. На его выходе при этом формируется последовательность прямоугольных импульсов где U_e = const - напряжение, соответствующее уровню логической единицы.

Разные уровни выходных напряжений порогового элемента 4 и удвоителя частоты 5 соответствуют трем тактам работы устройства. В первом такте при U_сх ≅ 0 (0 < t ≅ T/2) напряжение U₃ = 0. Во втором такте (Т/2 < t ≅ 3T/4) напряжение U₃ = U_e, U₅ = U_е. В третьем такте U₃ = U_e, a U₅ = 0.

Сигнал U₃ с выхода порогового элемента 3 поступает одновременно на входы элемента НЕ 4, удвоителя частоты 5, умножителя частоты 6 и формирователя коротких импульсов 7. На выходе элемента НЕ 4 формируется последовательность прямоугольных импульсов U₄= На выходе умножителя частоты 6 формируются прямоугольные импульсы с частотой, кратной частоте f синхронизирующего напряжения f₆ = mf = m/T , где m - коэффициент передачи умножителя частоты; T = 1/f - период синхронизирующего напряжения.

На выходе удвоителя частоты 5 формируются импульсы с удвоенной частотой
f₅ = 2f = 2/T .

В исходный момент в начале каждого первого такта при t = 0 в счетчике 14 записано число, равное 0. В первом такте при 0 t ≅ T/2 на втором входе первого элемента И 8 с выхода первого элемента НЕ 4 действует сигнал U_e с уровнем логической единицы, а на первом входе второго трехвходового элемента И 12 с выхода порогового элемента 3 действует сигнал с уровнем логического 0. Следовательно, импульсы с выхода преобразователя напряжение-частота синхронного типа 8 через первый двухвходовый элемент И 11 и элемент ИЛИ 13 поступают на суммирующий вход двоичного счетчика 13, который в данном случае выполняет роль цифрового интегратора. В результате в конце первого такта в момент времени t = T/2 в счетчике 14 записывается число
N₀ = K₈f₆U_y ^T₂ = U_у.

Во втором такте при T/2 < t ≅ 3T/4 напряжения U₃ = U_e; U₄ = 0, U₁₁ = 0; U₅ = U_e; U₉ = 0, поэтому на суммирующий вход двоичного реверсивного счетчика 14 через первый трехвходовый элемент ИЛИ 13 поступают импульсы с выхода умножителя частоты 6. В момент времени t₁, соответствующий записи в счетчике 14 числа 2^n-1, на выходе его старшего n-го разряда формируется сигнал с уровнем логической единицы. Далее счет импульсов продолжается, а сигнал U_14n с выхода старшего разряда счетчика 14 поступает на первые объединенные входы второго двухвходового элемента И 15 и трехвходового элемента ИЛИ-НЕ 16. Так как на вторых входах этих элементов действуют сигналы соответственно U₅ = U_e и U₉ = 0, то, следовательно, на выходе второго двухвходового элемента И, служащего первым выходом устройства, формируется отпирающий импульс управления для тиристора.

За интервал времени (t₁ - T/2) во втором такте к содержимому счетчика 14 добавляется число
N₁= ft₁- = t₁- .

В конце второго такта в момент времени t = 3T/4 в счетчике 14 записывается число
N₂= N_o+ = K₈U_y+ ).

В третьем такте при 3T/4 < t ≅ T напряжение U₃ = U_e; U₄ = 0; U₅= 0; U₉ = U_e; U₁₀= 0; U₁₁ = 0; U₁₃ = 0. Поэтому на вычитающий вход двоичного реверсивного счетчика 14 через второй трехвходовый элемент И 12 поступают импульсы с выхода умножителя частоты 6. В результате происходит уменьшение числа, записанного в счетчике 14. В момент времени t₂, соответствующий записи в счетчике 14 числа (2^n-1 - 1) на выходе его старшего n-го разряда изменяется уровень сигнала с логической единицы до логического 0. За интервал времени (3T/4 < t ≅ t₂) содержимое счетчика 14 уменьшается на величину
ΔN = - t.

Далее обратный счет импульсов продолжается, а сигнал U_14n = 0 с выхода старшего разряда двоичного счетчика 14 поступает на первые входы второго двухвходового элемента И и трехвходового элемента ИЛИ-НЕ 16. Так как на втором входе второго двухвходового элемента И 15 и втором и третьем входах трехвходового элемента ИЛИ-НЕ действуют сигналы соответственно U₅ = 0; U₄ = 0; U₅ = 0, то, следовательно, на выходе трехвходового элемента ИЛИ-НЕ 16 формируется запирающий импульс управления для тиристора.

В конце третьего такта при t = T двоичный счетчик 14 выходным импульсом формирователя импульсов сброса 7 устанавливается в исходное состояние, соответствующее записи в нем 0.

Статическую характеристику устройства для отпирающих импульсов определим из уравнения
N₀+N₁= U_y+ t₁- = 2^n-1, решение которого относительно t₁ дает
t₁= - 1+K₈U.

Угол включения тиристора (см. фиг. 2) определим по формуле
α₁= = t₁- = 2 - K₈U. Если диапазон изменения управляющего напряжения установить в пределах от U_у.мин = 0 до U_у.макс = U_o, коэффициент передачи умножителя частоты 6 выбрать равным m = 2ⁿ⁺¹, коэффициент передачи преобразователя напряжение-частота 8 установить таким образом, чтобы при U_y = U_oвыходная частота преобразователя 8 равнялась половине выходной частоты умножителя частоты 6, т. е. половине максимального значения, что достигается при K₈ = 1/2U_o, и ввести новую переменную - относительное значение управляющего напряжения
= , то выражение для угла включения тиристора примет вид
α₁= (1-) (1)
Статическую характеристику устройства для углов формирования запирающих импульсов U₁₆ определим из условия
N₁ - N_o = Δ N, из которого следует (см. фиг. 2)
- t₁= t₂- или
t₂= - t₁ .

Угол формирования запирающих импульсов равен
α₂= t₂- = 1+. (2)
Угол проводимости тиристора определяется из выражения
α= α₂-α₁= πUBar_y. (3)
Таким образом, в предлагаемом формирователе импульсов управления для тиристора угол включения регулируется в пределах от α₁= π/2 при U_y = 0 до α₁ = 0 при U_y = 1, угол запирания регулируется в пределах от α₂= π/2 при U_y = 0 до α₂= π при U_y = 1, а угол проводимости тиристора при этом изменяется в диапазоне от α= 0 при U_y= 0 до α= π при U_y = 1. При этом, как следует из выражения (1), (2) и (3) передние фронты отпирающего и запирающего импульсов симметричны относительно α= π/2 . Кроме того, значения углов включения α₁ и выключения α₂ не зависят от изменений частоты синхронизирующего напряжения.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет расширить функциональные возможности формирователя импульсов управления для тиристора путем использования для запираемых тиристоров.

Использование формирователя импульсов управления для тиристора в различных схемах вентильных преобразователей позволяет улучшить их технические характеристики. (56) Авторское свидетельство СССР N 647831, кл. H 01 M 7/08, 1978.

Авторское свидетельство СССР N 1494167, кл. H 01 M 1/08, 1989.

Формула изобретения

ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ТИРИСТОРА, содержащий последовательно соединенные источник синхронизирующего напряжения и пороговый элемент, выход которого подключен к объединенным входам элемента НЕ, формирователя импульсов сброса и умножителя частоты, выход которого подключен к синхронизирующему входу преобразователя напряжение-частота синхронного типа, информационный вход которого подключен к выходу источника управляющего напряжения, а выход соединен с первым входом первого двухвходового элемента И, второй вход которого подключен к выходу элемента НЕ, а выход соединен с первым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к суммирующему входу двоичного счетчика, R-вход которого соединен с выходом формирователя импульсов сброса, и второй двухвходовый элемент И, отличающийся тем, что в него дополнительно введены удвоитель частоты, трехвходовый элемент ИЛИ - НЕ, два трехвходовых элемента И, элемент НЕ, а двоичный счетчик выполнен реверсивным, при этом его вычитающий вход подключен к выходу второго трехвходового элемента И, третий вход которого через второй элемент НЕ подключен к выходу удвоителя частоты, вход которого соединен с выходом порогового элемента, первый, второй и третий входы первого трехвходового элемента И подключены к выходам соответственно удвоителя частоты, умножителя частоты и порогового элемента, а выход подключен к второму входу двухвходового элемента ИЛИ, первый и второй входы второго трехвходового элемента И подключены к выходам соответственно порогового элемента и умножителя частоты, второй вход второго двухвходового элемента И подключен к выходу удвоителя частоты, выход старшего разряда двоичного счетчика подключен к объединенным первым входам второго двухвходового элемента И и трехвходового элемента ИЛИ - НЕ, второй и третий входы которого подключены к выходам соответственно первого элемента НЕ и удвоителя частоты, выходы второго двухвходового элемента И и трехвходового элемента ИЛИ - НЕ служат выходами устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2