Система управления (СУ) электронными аппаратами высокого напряжения представляет собой самостоятельный функциональный узел. Она содержит элементы и электронные устройства, которые обеспечивают выделение и запоминание сигналов, поступающих от органов управления и защиты, синхронизацию, формирование и распределение управляющих импульсов, передачу команд на изменение аппаратом коммутационного положения.
Системы управления электронными аппаратами имеют особенности, которые обусловлены исполнением силовой части и принципом ее работы. Прежде всего СУ должны обеспечивать формирование и распределение по единичным коммутационным элементам (тиристорам) большого числа управляющих сигналов, равного для однополюсного аппарата N = 2 (и и'), где п и п' — соответственно число последовательно и параллельно соединенных приборов в блоке. Причем N/2 импульсов вырабатываются с фазовым сдвигом л по отношению к другим импульсам, что необходимо для удержания силового блока во включенном состоянии при встречно-параллельном соединении тиристоров. Начало импульсов должно быть синхронизировано с нулевым значением тока, как показано на рис. 2, который поясняет процесс работы одного полюса аппарата. Формирование управляющих импульсов можно синхронизировать и с моментом перехода напряжения через нулевые значения. Но в этом случае длительность их должна быть увеличена на угол фазового сдвига между током и напряжением <р, что приводит к техническим трудностям и неоправданному увеличению мощности формирователей.
Обеспечивая выполнение указанных выше функций, СУ одновременно должны удовлетворять общим для аппаратов высокого напряжения требованиям и требованиям, характерным для полупроводниковых аппаратов: обеспечение генерирования управляющих импульсов с заданными амплитудой, длительностью и крутизной фронта; стабильность вырабатываемых сигналов по времени и при изменении температурных режимов; высокая помехоустойчивость; жесткая синхронизация управляющих сигналов с током или питающим напряжением.
Проектирование СУ предполагает решение двух самостоятельных задач, связанных с синтезом информационно-логической части (ИЛЧ) и выбором принципа генерирования, а также распределения управляющих импульсов по тиристорам силовых блоков аппарата.
Современное развитое микроэлектроники, средств вычислительной техники и теории автоматического управления определяет широкие возможности выбора методов проектирования ИЛЧ и элементной базы (от транзисторов и микросхем до микропроцессоров). В качестве примера на рис. 8 приведена обобщенная структурная схема СУ с выделенной штрихами ИЛЧ и формирователем управляющих импульсов ФИ. Схема СУ построена на типовых устройствах автоматики, реализующих определенные функции: ограничение, преобразование, развертку, логические операции, тактирование и др.
Рис. 8. Структурная схема системы управления аппаратом
Рассмотрим назначение входящих в состав ИЛЧ функциональных блоков. Входное устройство (сумматор)Х осуществляет функциональное преобразование всех сигналов и команд, которые поступают от датчиков режима работы силовой части, релейной защиты и устройств дистанционного управления. Здесь входные сигналы подвергаются ограничению, преобразованию, коррекции формы и др.
Устройства развертки Р преобразуют сигналы в функцию времени. Обычно эти устройства строят по схеме аналоговых или цифровых интеграторов. В рассматриваемой СУ устройства развертки преобразуют в линейную функцию времени сигналы вида
т.е. гармонические и единичные функции.
Генератор тактов (ГТ). С его помощью фиксируются нули тока и направления в цепи, которой управляет аппарат, определяются в каждый момент времени направление тока и полярность (знак) напряжения.
Схемы совпадения (СС). В этих блоках производится сравнение по амплитуде или длительности сигналов, которые поступают от блоков развертки, генераторов тактов, источника стабилизированного опорного напряжения U0. Конкретные сочетания сравниваемых сигналов на рис. 8 указаны функциональными связями.
Комбинационная схема (КС). В ней формируются команды или последовательность команд, соответствующие комбинациям входных воздействий. В состав этого блока входят устройства, реализующие логические функции, функции запоминания, запрета и др.
Входные сигналы соответствуют: U^c ~ сигналу обратной связи; U0 — опорному напряжению; ис и /с — сигналам, пропорциональным напряжению и току в сети.
Формирование и распределение управляющих импульсов. Формирователь импульсов является наиболее ответственной и сложной в практическом осуществлении частью СУ. По принципу обеспечения изоляции между ИЛЧ и силовыми тиристорными блоками, имеющими высокий потенциал, ФИ подразделяются на световые, радиоимпульсные и трансформаторные.
В световых ФИ первичные управляющие импульсы задающего генератора преобразуются в световые импульсы, которые по световодам или через систему линз передаются на силовой блок, находящийся под высоким потенциалом. 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 СУ 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 /= = 100 Гц в течение времени, пока аппарат находится во включенном состоянии. Мощность импульса длительностью 100 мкс, необходимая для включения одного тиристора, равна 150 — 200 Вт. Это значит, что для удержания во включенном состоянии блока, например, с 20 тиристорами в каждой из встречно-параллельно соединенных цепочек потребляемая ФИ энергия за период может достигать 1 Дж. Это является сдерживающим фактором для широкого применении ФИ со световым управлением, так как передача такой энергии от источника, находящегося на потенциале земли, или отбор ее от управляемой сети приводит к значительному усложнению конструкции аппарата, снижению его надежности.
Более простыми получаются ФИ при управлении силовыми блоками на основе фототиристоров. В этом случае исключается необходимость в преобразователях, источниках питания, имеющих высокий потенциал, и в 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 круто нарастающих 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 где СУ имеет световую вставку (оптический канал) между ИЛЧ и выходным каскадом ФИ.
Подобным образом может быть осуществлено управление ФИ с применением радиоимпульсов. Но по сравнению со световыми системами передачи информации радиоимпульсные более чувствительны к помехам и поэтому обладают меньшей надежностью.
В силовых электронных аппаратах с относительно низкими номинальными напряжениями (вплоть до 110 кВ) обеспечение надлежащей изоляции и распределение управляющих импульсов осуществляют 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 собственные емкости связи 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 одновременное их формирование на всех трансформаторах, так как индуктивности рассеяния оказываются включенными последовательно.
На рис. 9 показан ФИ, в котором генератор импульсов нагружен непосредственно на последовательно соединенные трансформаторы с общей первичной обмоткой, представляющей собой электрический кабель высокого напряжения. Блоки ФИ, построенные по этому принципу, называют кабельно-трансформаторными. По возможности удовлетворения требований 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.
Рис. 9. Выходной каскад системы управления
В приведенном на рис. 9. ФИ задающий генератор импульсов собран по схеме симметричного триггера с емкостной искусственной коммутацией тиристоров. Изолирующие трансформаторы подключены к обоим плечам триггера посредством двух электрических кабелей или одного кабеля с двумя токоведущими жилами, которые являются встречновключенными первичными обмотками трансформаторов Г. В исходном состоянии схемы оба тиристора VS1 и VS2 закрыты, конденсатор Ск2 не заряжен, а конденсатор С1 заряжен до напряжения источника питания. При поступлении на один из тиристоров, например VS1, командного сигнала от ИЛЧ триггер срабатывает. При этом конденсатор С1 начинает разряжаться через ограничивающий резистор R1 на включенные в цепь тиристора VS1 первичные обмотки трансформаторов и одновременно заряжается коммутирующий конденсатор Ск2 с указанной на рис. 9 полярностью. По истечении времени, достаточного для установления напряжения на конденсаторе Ск2, выдается сигнал на включение тиристора VS2. В результате тиристор VS1 оказывается смещенным в обратном направлении и запирается, а ток разрядки конденсаторов С1 и Ск2 протекает по первичным обмоткам трансформаторов, включенных в анодную цепь тиристора VS2. Таким образом, поочередно включаются тиристоры VS1 и VS2 и, следовательно, изменяется направление тока в первичной цепи трансформаторов. Если в процессе работы триггера конденсатор С1 не подзаряжается (отключен от источника питания), то амплитуда импульсов напряжения на выходе формирователя уменьшается, как показано на рис. 10. Параметры генерируемой пачки импульсов можно менять посредством изменения емкостей конденсаторов С1 и Ск2, сопротивления резисторов R1 или напряжения зарядки конденсатора С1.