Специализированные драйверы тиристоров
Драйверы тиристоров – устройство универсальное в плане управления тиристором. Любой драйвер тиристоров, серийно выпускаемый производителями таковых изделий, может быть использован практически во всех схемах с применением тиристоров. В этом преимущество данного типа устройств. Но, с другой стороны, в подавляющем большинстве случаев, преобразователи на основе тиристоров выполняют ряд стандартных функций: коммутацию нагрузки, плавное подключение нагрузки, регулирование мощности на нагрузке и регулируемое выпрямление переменного напряжения. Для задач такого рода, разумеется, вполне подходят универсальные драйверы тиристоров. Но сами по себе такие драйверы ничего регулировать не могут; для работы преобразователя необходима внешняя схема управления. В то же время, т.к. задачи более или менее стандартны, то и обойтись можно более или менее типовыми схемами управления. Далее остаётся один шаг: объединить драйверы тиристоров и специализированную схему управления в одном устройстве, получив, тем самым, специализированный драйвер тиристоров.
Таким образом, специализированный драйвер тиристоров – это устройство, в состав которого входят собственно драйверы тиристоров, специализированная схема управления, предназначенная для решения определённой типовой задачи и дополнительные схемы защиты и индикации. В итоге имеется драйвер, для которого входными сигналами являются аналоговые сигналы с датчиков или схемы управления, а выходными – сигналы управления силовыми тиристорами. При этом обеспечивается развязка цепей управления от силовых цепей.
Такого рода драйверами в номенклатуре изделий «Электрум АВ» являются драйверы ДРМ-ОС, ДТРМ, ДТРВ. Причём последний драйвер представлен в двух конструктивных исполнениях: собственно ДТРВ и ДТРВ-6-din (предназначенный для монтажа на Din-рейку). Указанные драйверы предназначены для решения следующих типовых задач:
ДРМ-ОС – регулирование мощности на нагрузке с помощью обратной связи в однофазной сети;
ДТРМ - регулирование мощности на нагрузке в трёхфазной сети;
ДТРВ – регулирование амплитуды выпрямленного напряжения в регулируемых трёхфазных выпрямителях.
Внешний вид драйверов ДТРВ и ДТРВ-6-din представлен на рисунках 1 и 2. Внешний вид и конструктивное исполнение драйверов ДРМ-ОС и ДТРМ аналогичны драйверу ДТРВ (рисунок 1).
Рисунок 1 – Внешний вид ДТРВ Рисунок 2 – Внешний вид ДТРВ-6-din
Не смотря на общую идеологию, сходную схемотехнику и одинаковые конструктивы, вышеуказанные драйвера отличаются по своему функциональном назначении, а потому их описание в дальнейшем будет вестись отдельно.
Драйвер регулятора мощности с обратной связью ДРМ-ОС предназначен для работы в составе регулятора мощности активной и активно-индуктивной нагрузки в цепях переменного тока линейным напряжением 220 В или 380 В частотой 50 Гц. В зависимости от исполнения, драйвер позволяет осуществлять стабилизацию по обратной связи следующих параметров:
V – напряжения на нагрузке;
V2 – квадрата напряжения на нагрузке;
I – тока нагрузки;
I2 – квадрата тока нагрузки;
V × I – мощности нагрузки.
В драйвере применен вертикально-импульсный метод регулирования мощности в нагрузке, при котором изменение мощности в нагрузке производится изменением длительности открытого состояния пары внешних тиристоров, включенных встречно-параллельно, в течение соответствующего полупериода сетевого напряжения. Структурная схема драйвера приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Структурная схема ДРМ-ОС
Драйвер работает следующим образом:
Узел синхронизации с сетью формирует импульсы в момент перехода напряжения сети через ноль, которые синхронизируют генератор пилообразного напряжения. Схема преобразователя уровня входного сигнала служит для согласования рабочего сигнала схемы со стандартными аналоговыми сигналами управления (0…5 В, 0…10 В, 4…20 мА, 0…5 мА, 0…20 мА). Узел обратной связи формирует сигнал рассогласования. В компараторе сравнивается напряжение генератора пилообразного напряжения и сигнала рассогласования. При сравнении пилообразного напряжения и сигнала рассогласования, в драйвере управления тиристорами вырабатывается импульсы включения внешних силовых тиристоров. Регулирование мощности в нагрузке осуществляется изменением величины сигнала управления.
В драйвере предусмотрен режим плавного пуска (500 мс) по включению питания, чем обеспечивается снижение величины пускового тока при работе на активно-индуктивную нагрузку. Так же в драйвере предусмотрена защита от перегрузки по току: при достижении мгновенного значения тока в нагрузке выше 1,41 Iком. ср. кв., соот. узел снимает напряжение с нагрузки, происходит открытие статусного транзистора. Через 500 мс защита снимается, происходит закрытие транзистора статусного оптрона и осуществляется плавный пуск (плавное нарастание напряжения на нагрузке от нуля до величины, определяемой величиной сигнала управления). Если аварийная ситуация не устранена, выше описанный процесс повторяется снова. При срабатывании защиты по току светится светодиод «Перегрузка».
Драйвер трехфазного регулятора мощности ДТРМ предназначен для управления тиристорным модулем с тремя парами встречно-параллельно включенных тиристоров с опторазвязкой типа МО26Д, тремя тиристорными модулями с парой встречно-параллельно включенных тиристоров с опторазвязкой типа МО8Д или шестью оптотиристорами и совместно с ними обеспечивает построение трехфазного регулятора мощности.
В драйвере применен фазовый метод регулирования мощности в трехфазной нагрузке, при котором изменение действующего значения переменного напряжения на нагрузке производится изменением длительности открытого состояния одного из тиристоров в течение соответствующего полупериода частоты сети. Величина мощности регулируется подачей управляющего сигнала стандартного вида (0…5 В, 0…10 В, 4…20 мА, 0…5 мА, 0…20 мА), изменение которого от минимума до максимума меняет величину выходной мощности от 0 до 100%.
Драйвер обеспечивает следующие функции:
- управление силовыми тиристорами;
- изменение выходной мощности фазовым методом;
- плавный пуск при включении питания;
- защиту от перегрузки по току;
- индикацию срабатывания токовой защиты.
Структурная схема драйвера приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Структурная схема ДТРМ
Драйвер работает следующим образом:
Определитель перехода напряжения сети через ноль (ОПНН) формирует импульсы в момент перехода напряжения сети через ноль, которые синхронизируют генератор пилообразного напряжения (ГПН). В компараторе (К) сравнивается напряжение ГПН и управляющего сигнала Uупр, получаемого со схемы преобразователя входного сигнала. Когда напряжение ГПН достигает величины Uупр, вырабатывается импульс включения внешних тиристоров. При изменении величины управляющего сигнала изменяется момент равенства напряжения ГПН и Uупр и, соответственно, фазы включения тиристоров. Этим самым достигается регулирование мощности в нагрузке.
Так же как в ДРМ-ОС, в ДТРМ предусмотрен режим плавного пуска по включению питания и при перегрузке, исключающий большой начальный пусковой ток, а так же предусмотрены токовые входы для подключения датчиков тока, чем обеспечивается защита оптотиристоров от перегрузки. При достижении мгновенного значения тока в нагрузке Im= 1,41×Iком.ср.кв. ДТРМ переходит в состояние «Перегрузка», происходит изменение цвета свечения статусного светодиода с зеленого на красный, на выходах управления тиристорами формируются запирающие сигналы.
Драйвер трехфазного регулируемого выпрямителя ДТРВ предназначен для управления трехфазным тиристорно-диодным мостом типа М23 или аналогичным мостом на модулях типа М3 или другим трехфазным тиристорно-диодным мостом и совместно с ними позволяет построить трехфазный регулируемый выпрямитель. В драйвере применен фазовый метод регулирования выпрямленного напряжения, при котором изменение действующего значения выпрямленного напряжения на нагрузке производится изменением длительности открытого состояния тиристоров, в течение полупериода.
Аналогично ДТРМ, величина напряжения регулируется подачей управляющего сигнала стандартного вида (0…5 В, 0…10 В, 4…20 мА, 0…5 мА, 0…20 мА), изменение которого от минимума до максимума меняет величину выходной мощности от 0 до 100%.
Структурная схема драйвера и алгоритм его работы аналогичны ДТРМ, за тем исключением того, что в ДТРВ отсутствует функция защиты от перегрузки по току и при изменении величины управляющего сигнала, изменяющего момент равенства напряжения ГПН и Uупр, регулируется величины средне-квадратичного значения напряжения на нагрузке.
Дальнейшим развитием драйвера ДТРВ является драйвер ДТРВ-6-din, который при том, что выполняет те же функции, что и ДТРВ, обладает рядом дополнительных возможностей. Таким образом, функциями драйвера являются:
- управление силовыми тиристорами;
- изменение выходной мощности фазовым методом;
- плавный пуск при включении питания;
- защита от перегрузки по току;
- индикация срабатывания токовой защиты;
- внешний или автоматический сброс режима перегрузки по току.
Структурная схема драйвера представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 - Структурная схема ДТРВ-6-din
В целом, алгоритм работы этого драйвера схож с алгоритмами предыдущих драйверов и, пожалуй, не требует дополнительного пояснения. Отличительной особенностью ДТРВ-6-din является возможность выбора исполнения по выходным цепям драйвера. По типам выходных сигналов данные драйверы представлены следующими исполнениями:
ДТРВ-6 – драйвер с выходами предназначенными для непосредственного управления силовыми тиристорами;
ДТРВ-6.1 – драйвер с выходами предназначенными для управления драйверами тиристоров (например, ДТ производства АО «Электрум АВ») по проводной линии связи.
ДТРВ-6.2 – драйвер с выходами предназначенными для управления драйверами тиристоров (например, ДТ производства АО «Электрум АВ») по волоконнооптической линии связи (ВОЛС).
Помимо этого, ДТРВ-6-din имеет множество вариантов по управлению, токовой защиты, режима работы при срабатывании защиты по току и т.д. Всё это делает данный драйвер, пожалуй, наиболее сложным, но и наиболее универсальным из всех рассмотренных здесь драйверов.
В качестве примера практической реализации специализированных драйверов тиристоров можно привести тиристорный регулятор мощности ТРМ3, так же выпускаемый «Электрум АВ», структурная схема которого приведена на рисунке 6.
Рисунок 6 - Структурная схема ТРМ3
Здесь используется драйвер ДТРМ в качестве управляющей схемы и модули МО8Д (оптотиристорные реле) в качестве исполнительных силовых элементов. Так же в состав изделия входит AC/DC-преобразователь. Таким образом, при помощи минимального количества элементов, был создан регулятор мощности способный работать с током нагрузки до 250 А.
В заключение следует сказать, что специализированные драйверы тиристоров, хотя и являются устройствами не самого широкого применения, для типовых задач подходят как нельзя лучше. Ведь если использовать данные драйвера, то не требуется проектирование и изготовление схемы управления, схемы защиты, схемы согласования выходных сигналов управления со входами драйверов тиристоров… Всё уже есть, при чём в простом и наглядном виде. А вопрос экономии сил и времени при разработке систем управления – это вопрос далеко не последней важности.
