В аппаратах высокого напряжения катоды последовательно соединенных тиристоров находятся во время работы при разных напряжениях, поэтому цепь управления каждого прибора должна быть электрически изолирована от других. Практически это осуществляется использоанием в цепях управления емкостной или индуктивной связи, а также применением методов управления, базирующихся на передаче энергии электромагнитными излучениями.

С последовательным соединением СПП связано еще одно требование к системе управления: она должна обеспечивать одновременное поступление управляющих сигналов на тиристоры с одинаковыми параметрами. Для удовлетворения этому требованию необходимо обеспечить равенство активных и реактивных сопротивлений в цепях, соединяющих управляющие электроды тиристоров выходными каскадами СУ, т.е. формирователями СУ. Сложность практического осуществления равенства полных сопротивлений состоит в том, что тиристоры по конструктивным соображениям находятся на разных расстояниях от формирователей.

При этом распределенные емкости, индуктивности и активные сопротивления подводящих проводов тоже могут существенно отличаться, что и вызывает изменение параметров управляющих сигналов или относительное смещение последних во времени. Очевидно, что в худшем положении в отношении искажения формы управляющего сигнала находится тиристор, наиболее удаленный от формирователя.

В зависимости от степени удовлетворения требованию одновременности поступления управляющих сигналов на управляющие электроды тиристоров различают одновременное и неодновременное управление.

Неодновременное управление имеет место в СУ, которые реализуют зависимое (вынужденное) включение последовательно соединенных тиристоров.

Принцип зависимого управления состоит в том, что управляющий сигнал поступает на вход только одного тиристора. Все остальные тиристоры включаются при помощи емкостной связи последовательно, один за другим. В приведенной на рис. 118 схеме вынужденного включения тиристора VS₂ реализуется при каждом включении тиристора VS₁ управляющим импульсом, поступающим от СУ.

Когда тиристоры VS₁ и VS₂ находятся в выключенном состоянии, прямое напряжение делится между ними поровну с помощью шунтирующих резисторов R_ш и демпфирующих цепей RС. Конденсаторы, следовательно, тоже заряжены до напряжения сети. При поступлении управляющего импульса на вход тиристора VS₁ последний включается.

Напряжение на аноде тиристора VS₁ начинает быстро уменьшаться. Одновременно с включением тиристора VS₁ наступает перераспределение напряжения между тиристорами VS₁ и VS₂: конденсатор С₁ разряжается, а С₂ – заряжается. Ток разрядки конденсатора С₁ протекает по цепи: у R – входная цепь тиристора VS₂-VS₁-R₁. Таким образом, осуществляется включение тиристора VS₂ непосредственно после включения тиристора VS₁.

Рис. 118. Зависимое управление последовательно соединенными тиристорами

Так как тиристоры и RС-цепи представляют собой сбалансированный мост, схема нечувствительна к колебаниям напряжения в сети, что исключает возможность самопроизвольного включения тиристора VS₂.

Стабилитрон VD предохраняет управляющую цепь тиристора VS₁ от превышения допустимого прямого напряжения.

Включение «ведомого» тиристора VS₂ вызывается не только воздействием тока управления. При включении тиристора VS₁ воспринимаемое им напряжение быстро перераспределяется между нагрузкой и тиристором VS₂. Так как сопротивление нагрузки на несколько порядков меньше сопротивления тиристора в непроводящем состоянии, напряжение практически полностью прикладывается к тиристору VS₂, что способствует ускорению его переключения. Такой режим переключения допускают не все тиристоры. Поэтому методы зависимого управления, позволяющие очень просто решить проблему изоляции управляющих цепей, имеют ограниченное применение. Обычно их использование рекомендуется при числе последовательно соединенных тиристоров в силовом блоке менее пяти.

Системы управления, обеспечивающие одновременное включение последовательно соединенных тиристоров, имеют ту же структурную схему, которая приведена на рис. 111. Поэтому ниже рассмотрим только исполнение выходных каскадов СУ, к которым в данном случае предъявляются весьма высокие требования. По принципу обеспечения необходимой электрической изоляции между информационно логической частью (ИЛЧ) и формирователями импульсов (ФИ) или между ФИ и управляющими цепями тиристоров системы управления подразделяют на световые, радиоимпульсные и трансформаторные.

В световых СУ первичные управляющие импульсы задающего генератора преобразуются в световые импульсы, которые по световодам или через систему линз передаются на силовой блок, находящийся под высоким напряжением. В приемном устройстве происходит обратное преобразование световых импульсов в электрические с заданными параметрами и распределение их по тиристорам. Конструкции каналов передачи световых сигналов и преобразователей не имеют принципиальных различий с используемыми в световых системах управления контактными аппаратами высокого напряжения. Однако в полупроводниковых аппаратах требуются более мощные источники питания для выходных каскадов ФИ.

Это обусловлено тем, что управляющие импульсы должны вырабатываться постоянно (с частотой 100 Гц) в течение времени, пока аппарат находится во включенном состоянии. Мощность импульса длительностью 100 мкс, необходимая для включения одного тиристора, равна 150–250 Вт. Это значит, что энергия, потребляемая ФИ для удержания во включенном состоянии блока, например с 20-ю тиристорами в каждой из встречно-параллельно соединенных ветвей, за период может достигать 1 Дж. Это является сдерживающим фактором широкого применения ФИ со световым управлением, так как передача такой энергии со стороны потенциала земли или отбор ее от управляемой сети приводят к значительному усложненную конструкции аппарата, снижению его надежности.

Более простыми получаются ФИ при управлении силовыми блоками на основе фототиристоров (рис. 119, а). В этом случае отпадает необходимость в преобразователях, источниках питания, расположенных на объекте, находящемся под высоким потенциалом, и устройствах передачи энергии к ним. Один полупроводниковый лазерный диод на основе арсенида Галлия способен излучать энергию, достаточную для включения сотни фототиристоров. В качестве каналов передачи сигналов могут использоваться полые изоляционные или стекловолоконные световоды. Важно, что при этом обеспечивается полная электрическая развязка между СУ и силовой цепью без применения изолирующих трансформаторов, которые ухудшают распределение крутонарастающих напряжений по последовательно соединенным тиристорам.

Следует отметить, однако, что параметры по току и напряжению современных фототиристоров значительно ниже, чем у тиристоров обычного исполнения. Поэтому их использование в качестве коммутационных элементов главной цепи аппарата ограничено. Чаще на основе фототиристоров создают приемные устройства световых сигналов, где одновременно формируются мощные электрические сигналы для управления триодными тиристорами, или их используют в том случае, когда СУ имеет световую вставку между ИЛЧ и выходным каскадом ФИ (рис. 119, б). Подобным образом может быть осуществлено управление ФИ с применением радиоимпульсов. Но по сравнению со световыми системами передачи информации радиоимпульсные системы очень чувствительны к помехам и поэтому обладают меньшей надежностью.

а)	б)	в)	г)
Рис. 119. Системы управления тиристорными блоками аппаратов высокого напряжения:
1 – информационно-логическая часть и выходной каскад формирователя;
2 – световой канал;
3 – преобразователь световых сигналов в электрические

В аппаратах с относительно низкими номинальными напряжениями (вплоть до 110 кВ) надежная изоляция и распределение управляющих импульсов осуществляются с помощью трансформаторных ФИ.

К настоящему времени разработаны различные варианты трансформаторных ФИ: на основе одного многообмоточного импульсного трансформатора; с последовательным и параллельным соединением импульсных трансформаторов; на основе различных комбинаций включения изолирующих и импульсных трансформаторов. Выбор того или иного ФИ определяется в основном требованиями к параметрам управляющих импульсов, уровню изоляции и помехоустойчивости. Например, каскадное соединение трансформаторов обеспечивает высокий уровень помехоустойчивости, так как элементы связи, имеющие собственную емкость, включаются последовательно, а напряжение на каждом трансформаторе снижается в N раз (N – число трансформаторов). В то же время, при N > 4…5 сложно обеспечить крутой фронт импульсов и одновременность их формирования на всех трансформаторах, так как элементы трансформаторов, обладающие индуктивностью рассеяния, оказываются включенными последовательно.

На рис. 119, в показан ФИ, в котором передача управляющих импульсов от генератора к тиристорам осуществляется схемой с комбинированным соединением группового Т₁ и индивидуальных Т₂ трансформаторов. Преимущество этого варианта ФИ перед каскадным соединением трансформаторов состоит в том, что за счет использования в нем маломощных индивидуальных трансформаторов удается существенно уменьшить неодновременность формирования управляющих импульсов и искажения их формы (фронта и амплитуды).

Как результат дальнейшего совершенствования трансформаторных схем можно считать ФИ, показанный на рис. 119, г. В нем генератор импульсов нагружен непосредственно на последовательно соединенные трансформаторы, у которых общей первичной обмоткой является кабель высокого напряжения. ФИ, построенные на этом принципе, называют кабельно-трансформаторными. По возможности удовлетворения требованиям к управляющим импульсам они сравнимы со световыми формирователями.

В то же время, кабельно-трансформаторные ФИ содержат значительно меньше элементов, более устойчивы к воздействиям внешней среды и обладают высокой надежностью.

Один из вариантов исполнения формирователя с тиристорным задающим генератором импульсов приведен на рис. 120.

Основой его является симметричный триггер с емкостной искусственной коммутацией тиристоров, нагруженный на изолирующие трансформаторы T₁...T_n со встречно включенными первичными обмотками.

В исходном состоянии схемы оба тиристора (VS₁ и VS₂) закрыты, конденсатор С_к не заряжен, а конденсатор С заряжен до напряжения источника питания. При поступлении на один из тиристоров, например VS₁, управляющего сигнала от ИЛЧ триггер срабатывает. При этом конденсатор С начинает заряжаться через ограничивающий резистор R на включенные в цепь тиристора VS₁ первичные обмотки трансформаторов и одновременно заряжается коммутирующий конденсатор С_к с указанной на рис. 120 полярностью.

Рис. 120. Выходной каскад системы управления

По истечении времени, достаточного для установления напряжения на конденсаторе С_к выдается сигнал на включение тиристора VS₂.

В результате тиристор VS₁ оказывается под обратным напряжением и запирается, а ток разрядки конденсаторов С и С_к протекает по первичным обмоткам трансформаторов, включенных в анодную цепь тиристора VS₂. Таким образом, осуществляется поочередное включение тиристоров VS₁ и VS₂ и, следовательно, изменение направления тока в первичной цени трансформаторов.

Если в процессе работы триггера конденсатор С не подзаряжается (отключен от источника питания), то амплитуда импульсов напряжения на выходе формирователя уменьшается. Параметры генерируемой пачки импульсов можно менять посредством изменения емкости конденсаторов С и С_к сопротивления резисторов R или напряжения зарядки конденсатора С.

Включение тиристоров в гибридных аппаратах происходит при специфических условиях, которые обусловливают дополнительные требования к СУ. Главная особенность – это малое анодное напряжение на тиристорах при отключении аппарата. В зависимости от типа дугогасительного устройства общее напряжение на силовом полупроводниковом блоке может быть равным 50–100 В. Следовательно, при большом числе последовательно соединенных СПП напряжение на каждом из них может составлять единицы вольт.

Для включения тиристора при таком вводном напряжении требуются управляющие сигналы с предельно допустимой импульсной мощностью (130–250 Вт). Заметим, что в данном случае не ставится задача обеспечить одновременное включение тиристоров. Более того, неодновременное их включение позитивно влияет на общий процесс переключения всей цепи тиристоров. Это объясняется тем, что при включении одного или нескольких тиристоров увеличивается напряжение на остальных приборах, повышая тем самым их чувствительность к управляющему току.

Специфической особенностью СУ комбинированных аппаратов является также режим синхронизации их работы. В большинстве предлагаемых вариантов запуск СУ синхронизируется не с характерными точками кривой тока или напряжения, а с моментом размыкания контактов.

Точно зафиксировать этот момент можно, например, с помощью элементов, реагирующих на появление электрической дуги (фоторезистор, фотодиод).

Но и в этом случае нельзя уверенно прогнозировать время, в течение которого напряжение на силовом блоке достигнет значения, необходимого для включения тиристоров. Оно определяется многими факторами, поэтому существует необходимость в формировании управляющих импульсов с длительностью, рассчитанной на самый неблагоприятный режим нарастания напряжения на силовом блоке. Результаты исследований различных режимов работы комбинированных аппаратов свидетельствуют о том, что максимальная длительность формируемых управляющих импульсов может быть равна 1,3…1,5 мс. Поскольку начало управляющего импульса при такой синхронизации заведомо упреждает возможный момент включения тиристоров, отпадает необходимость в формировании сигнала специальной формы. Важным является обеспечить ввод и поддержание на достаточном уровне заряда в базовых областях структуры тиристора в течение всего указанного времени.

Очевидно, что и мощность управляющего импульса в этом случае должна соответствовать выбранной длительности.

В гибридных аппаратах с предвключаемым резистором достижение необходимого напряжения на силовом блоке фокусируется точно с помощью датчика напряжения и порогового элемента в ИЛЧ – системы управления, поэтому длительность управляющего импульса может быть сокращена до минимального значения (100–150 мкс), а импульсная мощность соответственно повышена до предельного значения для данного типа тиристора.

Для СУ гибридных аппаратов характерен кратковременный (ждущий) режим работы. Это позволяет использовать источники питания малой мощности с небольшими габаритами и массой. Одновременно ждущий режим работы требует повышения надежности системы. Для исключения отказов СУ в ней должны быть предусмотрены функции самоконтроля. Практически это осуществляется периодическим запуском СУ и контролем параметров выходных импульсов.

Конструктивное исполнение кабельно-трансформаторной части формирователя зависит от требований к изоляции. В аппаратах на номинальное напряжение до 35 кВ в качестве первичных обмоток могут быть использованы различные кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией (кабели управления, кабели для радиоустановок, высоковольтные рентгеновские кабели) или установочные провода. При необходимости усиления изоляции кабели и провода дополнительно заливаются эпоксидными компаундами или помещаются во фторопластовые трубы.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1